Propagation de la lumière
Pendant un orage à Nantes, tu vois l'éclair, puis tu entends le tonnerre quelques secondes plus tard. Pourquoi ce décalage ? Et comment s'en servir pour savoir à quelle distance l'orage se trouve ? Dans cette page, tu vas voir comment la lumière se propage, à quelle vitesse, et ce que cela permet d'expliquer.
Une propagation en ligne droite
Dans une pièce sombre, un faisceau de lampe de poche se voit comme une « barre » rectiligne dans la poussière. La lumière se déplace de manière très simple : en ligne droite.
Pour étudier la lumière, on utilise un modèle : le rayon lumineux. C'est une droite fléchée qui indique le trajet et le sens de propagation. Un rayon n'existe pas vraiment : c'est une représentation simplifiée qui permet de prévoir ce qui se passe.
Les rayons qui frôlent l'objet sont des droites : ils dessinent le bord de l'ombre. Plus l'objet est éloigné de l'écran, plus l'ombre est grande, et on peut la prévoir avec un simple schéma.
Dans une pièce sombre, on éclaire une feuille avec une lampe de poche à travers un petit trou. a) Comment se propage la lumière dans l'air ? b) Comment représente-t-on…
Dans une pièce sombre, on éclaire une feuille avec une lampe de poche à travers un petit trou.
- a) Comment se propage la lumière dans l'air ?
- b) Comment représente-t-on la lumière dans le modèle du rayon ?
Compléter : la lumière se propage en ligne dans un milieu et transparent. Sa vitesse dans le vide est environ km/s.
Compléter : la lumière se propage en ligne __ dans un milieu _ et transparent. Sa vitesse dans le vide est environ ___ km/s.
La vitesse de la lumière
L'éclair et le tonnerre sont produits au même instant, mais on les perçoit à des moments différents. La lumière va beaucoup plus vite que le son.
Autre différence : la lumière se propage dans le vide (celle du Soleil traverse l'espace jusqu'à nous), alors que le son a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide).
La lumière est donc presque un million de fois plus rapide que le son (environ 900 000 fois). Vérifie : $3{,}00 \times 10^{8} \div 340 \approx 8{,}8 \times 10^{5}$.
Un éclair est vu puis le tonnerre est entendu quelques secondes plus tard. a) Quelle onde arrive en premier, la lumière ou le son ? b) Comparer qualitativement leurs…
Un éclair est vu puis le tonnerre est entendu quelques secondes plus tard.
- a) Quelle onde arrive en premier, la lumière ou le son ?
- b) Comparer qualitativement leurs vitesses.
Calculer une durée ou une distance
Pour une propagation à vitesse constante, on utilise la relation vue en 5e et 4e :
Réponse du « à toi » : $t = \dfrac{2\,040}{3{,}00 \times 10^{8}} \approx 6{,}8 \times 10^{-6}\ \text{s}$, soit environ 7 millionièmes de seconde, contre $6\ \text{s}$ pour le son. On peut donc le négliger.
Lors d'un orage à Nantes, on compte $6\ \text{s}$ entre l'éclair et le tonnerre. On prend $v_{son} = 340\ \text{m/s}$. a) Calculer la distance de l'orage. b) Pourquoi…
Lors d'un orage à Nantes, on compte $6\ \text{s}$ entre l'éclair et le tonnerre. On prend $v_{son} = 340\ \text{m/s}$.
- a) Calculer la distance de l'orage.
- b) Pourquoi peut-on négliger la durée de propagation de la lumière ?
La Lune est à $3,84\cdot10^{5}\ \text{km}$ de la Terre. a) Calculer la durée d'un trajet aller de la lumière, avec $c = 3,0\cdot10^{5}\ \text{km/s}$. b) Un laser est…
La Lune est à $3,84\cdot10^{5}\ \text{km}$ de la Terre.
- a) Calculer la durée d'un trajet aller de la lumière, avec $c = 3,0\cdot10^{5}\ \text{km/s}$.
- b) Un laser est envoyé sur un réflecteur lunaire. Calculer la durée de l'aller-retour.
Un spectateur voit l'éclair d'un feu d'artifice et entend l'explosion $2,5\ \text{s}$ plus tard. Un second spectateur, plus éloigné, l'entend $4,0\ \text{s}$ plus tard.…
Un spectateur voit l'éclair d'un feu d'artifice et entend l'explosion $2,5\ \text{s}$ plus tard. Un second spectateur, plus éloigné, l'entend $4,0\ \text{s}$ plus tard. On prend $v_{son} = 340\ \text{m/s}$.
- a) Calculer les deux distances.
- b) Calculer la distance entre les deux spectateurs, s'ils sont alignés avec le feu d'artifice et situés du même côté de celui-ci.
- c) Justifier l'approximation sur la durée de propagation de la lumière.
Un faisceau laser traverse une pièce de $10\ \text{m}$ de long. Un élève affirme : « la lumière est instantanée, elle n'a pas de vitesse ». a) Calculer la durée mise par…
Un faisceau laser traverse une pièce de $10\ \text{m}$ de long. Un élève affirme : « la lumière est instantanée, elle n'a pas de vitesse ».
- a) Calculer la durée mise par la lumière pour traverser la pièce.
- b) Que peut-on répondre à l'élève ?
- c) Quel type d'instrument est nécessaire pour mesurer une telle durée ?
Ombres et éclipses
Comme la lumière va en ligne droite, on peut prévoir la taille d'une ombre avec des triangles semblables (même forme, tailles proportionnelles). Les rayons du Soleil arrivent presque parallèles : au même moment, les objets verticaux et leurs ombres sont dans le même rapport.
Réponse du « à toi » : $4 \times 0{,}75 = 3\ \text{m}$.
Une éclipse de Soleil se produit quand la Lune, opaque, passe entre le Soleil et la Terre : elle arrête les rayons qui vont du Soleil à un point de la Terre, où l'on se trouve alors dans l'ombre. La Lune est très petite, mais elle cache tout le Soleil, car elle est bien plus proche : leurs tailles apparentes (l'angle sous lequel on les voit) sont presque égales.
Le schéma n'est pas à l'échelle.
Un arbre de $8\ \text{m}$ de haut projette une ombre de $6\ \text{m}$ au sol. Au même moment, un piquet vertical de $1\ \text{m}$ projette une ombre. a) Expliquer…
Un arbre de $8\ \text{m}$ de haut projette une ombre de $6\ \text{m}$ au sol. Au même moment, un piquet vertical de $1\ \text{m}$ projette une ombre.
- a) Expliquer pourquoi la propagation rectiligne permet de comparer les situations.
- b) Calculer la longueur de l'ombre du piquet.
Lors d'une éclipse de Soleil, la Lune cache le Soleil. La Lune a un diamètre de $3\ 474\ \text{km}$ et est à $3,84\cdot10^{5}\ \text{km}$ de la Terre. Le Soleil a un…
Lors d'une éclipse de Soleil, la Lune cache le Soleil. La Lune a un diamètre de $3\ 474\ \text{km}$ et est à $3,84\cdot10^{5}\ \text{km}$ de la Terre. Le Soleil a un diamètre de $1,39\cdot10^{6}\ \text{km}$.
- a) Expliquer comment la propagation rectiligne explique l'éclipse.
- b) Calculer la distance Terre-Soleil permettant que les deux astres aient la même taille apparente.
- c) Comparer avec la valeur réelle de $1,5\cdot10^{8}\ \text{km}$.
Retour au début : dans l'orage, la lumière arrive quasi instantanément et le son lentement ; la durée mesurée entre les deux donne la distance avec $d = v_{son} \times t$.