Rappels de 6e (sources de lumière, transparent, translucide, opaque, ombre propre et ombre portée) ; source primaire et objet diffusant, condition pour voir un objet ; propagation rectiligne, rayon lumineux et réflexion sur un miroir ; ombre, pénombre, éclipses de Soleil et de Lune ; vitesse de la lumière et année-lumière.
À propos de cette page
Six problèmes sur la lumière : la veilleuse de Lina et son ours en peluche, une balle de ping-pong et son ombre, le périscope et ses deux miroirs, une étrange nuit de pleine lune, le délai des ordres envoyés à un robot sur Mars, et Sirius et Andromède pour regarder dans le passé.
6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je lis tout l’énoncé et je repère la source de lumière, les objets et l’observateur.
Je suis la lumière : en ligne droite, de la source vers les objets, puis vers l’œil.
Je trace si besoin la normale d’un miroir, les rayons qui frôlent un objet ou l’alignement des astres.
Je calcule avec d = v × t ou t = d ÷ v (d en km, t en s, v = 300 000 km/s), sans oublier un éventuel aller-retour.
Je conclus avec le mot exact du cours et l’unité, en vérifiant l’ordre de grandeur.
Problème 1 · La veilleuse de Lina★★★Facile
Le soir, dans sa chambre aux volets fermés, Lina allume une veilleuse posée sur sa table de nuit. Elle voit la veilleuse et son ours en peluche, posé à côté.
1. La veilleuse allumée est une source .
Elle produit sa propre lumière : source primaire.
2. L’ours en peluche ne produit pas de lumière : c’est un objet .
Il renvoie dans toutes les directions la lumière de la veilleuse : objet diffusant.
3. Pour que Lina voie l’ours, la lumière suit le trajet : veilleuse → ours → .
La lumière part de la veilleuse, est renvoyée par l’ours et entre dans l’œil de Lina.
4. Lina éteint la veilleuse : dans le noir complet, elle ne voit plus l’ours, car il ne reçoit plus de .
Sans lumière reçue, l’ours n’a plus rien à renvoyer vers l’œil.
5. Lina passe sa main entre la veilleuse et l’ours : une zone sombre apparaît sur l’ours, c’est l’ombre de la main.
La main, opaque, arrête la lumière, qui va en ligne droite : derrière elle, sur l’ours, c’est l’ombre portée de la main.
Problème 2 · La balle de ping-pong★★★Facile
Dans une salle obscure, Hugo éclaire une balle de ping-pong avec une lampe minuscule, presque ponctuelle. Derrière la balle, un écran blanc.
1. Derrière la balle, l’espace où la lumière de la lampe n’arrive pas est le cône d’.
Il est limité par les rayons qui frôlent la balle : c’est le cône d’ombre.
2. Avec cette lampe minuscule, les bords de l’ombre sur l’écran sont .
Source presque ponctuelle : bords nets.
3. Hugo remplace la lampe par une longue réglette lumineuse : c’est une source .
La réglette est large : c’est une source étendue.
4. Autour de l’ombre apparaît alors une .
Source étendue : une pénombre entoure l’ombre.
5. Depuis un point de cette zone, on ne voit qu’une de la réglette.
La balle cache une partie seulement de la réglette : la zone est partiellement éclairée.
Problème 3 · Le périscope★★★Moyen
Un périscope est un tube muni de deux miroirs plans parallèles, inclinés à 45°. Il permet de voir par-dessus un mur. La lumière venant d’un objet entre horizontalement par le haut du tube, se réfléchit sur le miroir du haut, descend verticalement, se réfléchit sur le miroir du bas, puis ressort horizontalement vers l’œil.
1. Dans le tube, entre les deux miroirs, la lumière se propage en ligne .
L’air du tube est transparent et homogène : ligne droite.
2. Le rayon horizontal fait 45° avec la surface du miroir du haut : son angle d’incidence vaut °.
i = 90° − 45° = 45°.
3. Entre le rayon qui arrive (horizontal) et le rayon qui repart (vertical), l’angle vaut °.
r = i = 45°, et l’angle entre les deux rayons vaut 45 + 45 = 90° : le miroir fait tourner la lumière d’un quart de tour.
4. Le miroir du bas renvoie la lumière vers l’ de l’observateur.
La lumière ressort horizontalement et entre dans l’œil : l’observateur voit l’objet.
5. Si l’on retire le miroir du haut, la lumière de l’objet continue tout droit : l’observateur ne plus l’objet.
Plus aucune lumière venant de l’objet n’arrive dans l’œil : il ne le voit plus.
Problème 4 · Une étrange nuit de pleine lune★★★Moyen
Un soir de pleine lune, Nadia observe la Lune depuis son balcon. Peu à peu, un bord de la Lune s’assombrit, puis la Lune entière devient sombre et rougeâtre pendant un long moment.
1. Le phénomène observé est une éclipse de .
La Lune s’assombrit : éclipse de Lune.
2. Pendant ce phénomène, l’astre situé au milieu de l’alignement est la .
Soleil – Terre – Lune.
3. La Lune est alors dans le cône d’ de la Terre.
La Terre bloque la lumière du Soleil : la Lune est dans son cône d’ombre.
4. La Lune ne produit pas de lumière : sa teinte rougeâtre vient d’un peu de lumière du Soleil déviée par l’ de la Terre.
L’atmosphère terrestre dévie un peu de lumière vers la Lune, qui la diffuse vers nous.
5. Le mois suivant, à la pleine lune, il n’y a pas d’éclipse : l’orbite de la Lune est par rapport à celle de la Terre.
Elle est inclinée d’environ 5° : le plus souvent, la Lune passe au-dessus ou au-dessous de l’ombre de la Terre.
Problème 5 · Piloter un robot sur Mars★★★Difficile
Un robot roule à la surface de Mars. La distance entre la Terre et Mars varie de 55,7 millions de km (au plus près) à 401,3 millions de km (au plus loin). Les ordres envoyés au robot et ses réponses sont des ondes radio, qui vont à la vitesse de la lumière : 300 000 km/s.
1. Au plus près, un ordre met environ s pour arriver (arrondi à l’unité).
t = 55 700 000 ÷ 300 000 ≈ 185,7 ≈ 186 s.
2. Soit environ min (arrondi à l’unité).
186 s = 3 min 6 s : environ 3 min.
3. Au plus loin, un ordre met environ s pour arriver (arrondi à l’unité).
t = 401 300 000 ÷ 300 000 ≈ 1 337,7 ≈ 1 338 s.
4. Soit environ min (arrondi à l’unité).
1 338 ÷ 60 ≈ 22,3 : environ 22 min.
5. Au plus loin, la réponse du robot arrive sur Terre au plus tôt min après l’envoi de l’ordre (arrondi à l’unité).
Aller et retour : 2 × 1 337,7 ≈ 2 675 s ≈ 44,6 min, soit environ 45 min. Impossible de piloter le robot en direct : il doit savoir éviter seul les obstacles.
Problème 6 · Regarder loin, c’est regarder dans le passé★★★Difficile
Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel nocturne, est à 8,6 années-lumière de la Terre. La galaxie d’Andromède, visible à l’œil nu par une nuit très noire, est à environ 2,5 millions d’années-lumière. On prend 1 a.l. ≈ 9 460 milliards de km.
1. La lumière de Sirius que l’on reçoit ce soir a quitté l’étoile il y a ans.
Une année-lumière est parcourue en un an : la lumière a voyagé 8,6 ans.
2. Sirius est à environ milliards de km (arrondi au millier).
8,6 × 9 460 = 81 356 : environ 81 000 milliards de km.
3. La lumière d’Andromède qui entre ce soir dans l’œil est partie il y a environ millions d’années.
Elle a voyagé environ 2,5 millions d’années : on voit Andromède telle qu’elle était alors.
4. Proxima du Centaure est à 4,2 a.l. Sirius est environ fois plus loin (arrondi à l’unité).
8,6 ÷ 4,2 ≈ 2,05 : Sirius est environ 2 fois plus loin.
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