Lumière et vision

Exercice 1 — Sources lumineuses et objets éclairés
1. Classement des objets :

• Le Soleil → source lumineuse (primaire) : il produit lui-même sa lumière grâce aux réactions nucléaires en son cœur.
• La Lune → objet éclairé (source secondaire) : elle ne produit pas sa propre lumière, elle réfléchit la lumière reçue du Soleil.
• Une bougie allumée → source lumineuse (primaire) : la combustion de la bougie produit de la lumière.
• Une feuille de papier blanc → objet éclairé (source secondaire) : elle réfléchit la lumière qui l'éclaire.

2. Différence source primaire / objet éclairé :
Une source lumineuse primaire produit et émet sa propre lumière (ex. : le Soleil, une ampoule), tandis qu'un objet éclairé ne fait que recevoir et réfléchir la lumière qu'il reçoit d'une source (ex. : la Lune, un livre).

3. L'élève a-t-il raison ?
Non, il a tort. La Lune brille, certes, mais elle ne produit pas elle-même de la lumière : elle réfléchit la lumière reçue du Soleil. Pour être une source lumineuse, il faut produire sa propre lumière. La Lune est donc un objet éclairé (source secondaire).

Exercice 2 — Propagation rectiligne
1. Expérience des trois écrans troués :
On place en ligne trois écrans opaques, chacun percé d'un petit trou en son centre, entre une source lumineuse et un observateur. Si les trois trous sont parfaitement alignés, la lumière passe à travers les trois écrans et atteint l'observateur. Si l'un des écrans est légèrement décalé (trou non aligné), la lumière est bloquée et l'observateur ne voit plus rien. Cette expérience prouve que la lumière se propage uniquement en ligne droite : dès qu'un trou sort de l'alignement, le trajet rectiligne est interrompu.

2. Deux exemples du quotidien :

• L'ombre d'un objet se forme bien derrière lui car la lumière ne peut pas contourner l'obstacle (elle va en ligne droite).
• On ne peut pas voir derrière un mur : la lumière se propage en ligne droite et est bloquée par le mur opaque.

(Autres exemples acceptés : rayon laser visible dans de la fumée, visée d'une cible avec un fusil, mire d'un arc.)

3. Milieu homogène :
Un milieu est homogène s'il a les mêmes propriétés physiques en tout point (même densité, même composition). Dans un tel milieu, la lumière se propage sans changer de direction, c'est-à-dire en ligne droite. En revanche, à l'interface entre deux milieux différents (eau/air, verre/air), la lumière peut changer de direction (réfraction).

Exercice 3 — Ombres et pénombres
1. Définitions :

• Ombre propre : zone sombre sur l'objet opaque lui-même, du côté opposé à la source lumineuse. C'est la partie de l'objet qui ne reçoit pas de lumière directe.
• Ombre portée : zone sombre projetée derrière l'objet sur un écran, le sol ou toute autre surface. Elle est causée par l'objet qui bloque les rayons lumineux.

2. Schéma et zones (description) :
Avec une grande lampe fluorescente (source étendue) éclairant une balle opaque, on distingue quatre zones :

• Zone éclairée : région en face de la lampe, qui reçoit directement toute la lumière.
• Ombre propre : zone sombre sur la balle elle-même (côté non éclairé).
• Ombre portée : zone de cône sombre derrière la balle sur l'écran, totalement privée de lumière directe.
• Pénombre : zone intermédiaire autour de l'ombre portée, partiellement éclairée ; depuis cette zone, la source est partiellement masquée par la balle.

Remarque : la pénombre existe parce que la source est étendue (grande lampe). Une source ponctuelle donnerait une ombre nette sans pénombre.

3. Évolution de l'ombre portée quand on rapproche l'objet de la source :
Quand on rapproche l'objet opaque de la source lumineuse (l'écran restant fixe), l'ombre portée devient plus grande (et plus floue, avec une pénombre plus large). En effet, les rayons lumineux sont plus divergents près de la source : l'objet intercepte un cône de lumière plus large, projetant une ombre plus étendue.

Exercice 4 — Vitesse de la lumière et calcul
1. Calcul de la durée Terre-Lune :
Données : d = 384 000 km ; v = 300 000 km/s
Formule : t = d / v
Application numérique :
t = 384 000 / 300 000 = 1,28 s
La lumière met environ 1,3 seconde pour aller de la Terre à la Lune.

2. Définition de l'année-lumière :
Une année-lumière est la distance (et non une durée) parcourue par la lumière en une année dans le vide. Elle vaut environ 9 461 milliards de km (≈ 9,46 × 10¹⁵ m). C'est une unité de distance, utilisée en astronomie pour exprimer des distances très grandes.

3. Étoile à 200 années-lumière :
La lumière met 200 ans pour parcourir la distance entre cette étoile et la Terre. Si l'étoile explose ce soir, la lumière de l'explosion mettra 200 ans pour nous parvenir. Nous ne le saurons donc que dans 200 ans.

Exercice 5 — Lumière blanche et éclipses
1. Spectre de la lumière blanche :
Le spectre de la lumière blanche est l'ensemble des couleurs obtenu lorsqu'on décompose (disperse) la lumière blanche à l'aide d'un prisme ou de gouttes d'eau. La lumière blanche est en réalité la superposition de toutes les couleurs visibles. On distingue 7 couleurs dans l'ordre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.
Quatre couleurs à citer parmi ces sept (exemple) : rouge, jaune, vert, bleu.
L'arc-en-ciel est l'exemple naturel de ce phénomène : les gouttes de pluie dispersent la lumière du Soleil comme un prisme.

2. Éclipse totale de Lune :
Lors d'une éclipse totale de Lune, les trois astres sont alignés dans l'ordre suivant : Soleil → Terre → Lune. La Terre se place entre le Soleil et la Lune, projetant son ombre sur la Lune. La Lune entre dans la zone d'ombre de la Terre et n'est plus éclairée directement par le Soleil. Elle peut apparaître rouge-orangée car l'atmosphère terrestre dévie légèrement la lumière solaire vers elle (« lune de sang »).