Lumière
Nous utilisons la lumière pour voir!
La lumière visible est la partie du spectre électromagnétique que nos yeux peuvent voir:
Ce n’est qu’une petite partie du spectre complet, n’est-ce pas?
Spectre visible
Lumière visible : les longueurs d’onde visibles par la plupart des yeux humains.
Les couleurs principales, dans l’ordre, vont « Roy G Bv »: Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet 
Comme on le voit sur ce bel arc-en-ciel:
La lumière a des longueurs d’onde d’environ 380 nm à 750 nm
nm signifie nanomètre, un milliardième de mètre.
Exemple: la lumière rouge a une longueur d’onde d’environ 700 milliardièmes de mètre. Petit!
Les définitions varient, mais voici un guide approximatif:
| Color | Wavelength Range (nm) |
|---|---|
| Red | 620–750 |
| Orange | 590–620 |
| Yellow | 570–590 |
| Green | 495–570 |
| Blue | 450–495 |
| Violet | 380–450 |
The frequency of red light is about 400 THz (and for violet is about 800 THz)
THz means teraHertz, a trillion cycles per seconde
Donc la lumière rouge vibre à environ 400 millions de millions de cycles par seconde. Vite!
Une fréquence plus élevée (avec une longueur d’onde plus courte) a plus d’énergie:
- La lumière rouge a une fréquence plus basse, une longueur d’onde plus longue et moins d’énergie
- La lumière bleue a une fréquence plus élevée, une longueur d’onde plus courte et plus d’énergie
Vitesse de la lumière
La lumière se déplace à presque 300 000 000 mètres par seconde (pour être exact: 299 792 458 mètres par seconde) dans le vide.
Soit 300 millions de mètres par seconde, ou:
- 3 × 108 m / s
- 300 000 km / s
- 186 000 milles par seconde
À cette vitesse, la lumière se déplace:
| Distance | Temps | |
|---|---|---|
| 1 mètre | en | 3,3 ns (3,3 milliardièmes de seconde) |
| Autour de l’équateur terrestre | en | 134 ms (134 millièmes de seconde) |
| De la Terre à la Lune | dans | 1.3 s |
| Surface du Soleil à la Terre | en | environ 8 minutes |
C’est si rapide, mais prend encore environ 8 minutes de la surface du Soleil à la Terre.
Le symbole de cette vitesse est c:
c=300 000 000 m / s
La lumière peut voyager plus lentement
Nous ne devrions vraiment pas l’appeler la vitesse de la lumière, d’abord parce qu’elle s’applique à l’ensemble du spectre électromagnétique, aux ondes de gravité, et plus encore! (Peut-être pourrions-nous l’appeler « Vitesse maximale »!)
Mais aussi parce que la lumière ne parcourt cette vitesse que dans le vide ! Il peut voyager plus lentement…
| Moyen | Vitesse millions de m/s |
|---|---|
| Vide | 299,8 |
| Air | 299 .7 |
| Glace | 228 |
| Eau | 225 |
| 220 | |
| 205 | |
| Huile d’olive | 204 |
| Diamant | 123 |
La longueur d’onde et la fréquence sont liées
La longueur d’onde et la Fréquence sont liées :
Frequency= VélocityWavelength
Longueur d’onde = VélocityFrequency
En supposant que la lumière est dans le vide, la vitesse est la vitesse de la lumière:3 × 108 m/s
Essayons un exemple simple (dans ce cas pas une longueur d’onde de la lumière):
Imaginez une très longue longueur d’onde de 75 000 km
Fréquence = 300 000 km/s75 000 km
=4/ s
=4 Hz
Nous pouvons adapter 4 de ces longueurs d’onde à 300 000 km, donc il vibre 4 fois en 1 seconde.
Donc la fréquence est de 4 Hz (4 par seconde)
Ou, l’inverse, si nous savons qu’elle vibre 4 fois par seconde, nous pouvons calculer sa longueur d’onde:
Longueur d’onde = 300 000 km / s4 /s
= 75 000 km
Exemple: La lumière bleue a une longueur d’onde d’environ 480 nm (480 × 10-9 m)
Donc la fréquence est:
Fréquence = 3 × 108 m /s480 × 10-9 m
= 6,25 × 1014 /s
= 6,25 × 1014 Hz
Qui est de 625 TéraHertz
La lumière se déplace en Ligne droite
La lumière se déplace en ligne droite jusqu’à ce qu’elle frappe quelque chose, ou que sa trajectoire soit modifiée par différentes densités ou par gravité.
La lumière du soleil traverse la route.
Les ombres montrent également que la lumière voyage en lignes droites.
Cette lumière s’étale un peu et est dispersée par l’atmosphère.
Faisceaux laser faisant des lignes droites.
Onde
La lumière se comporte comme une onde, de sorte qu’elle peut:
- réfléchir (rebondir),
- disperser (rebondir dans toutes les directions),
- réfracter (changer de vitesse et de direction)
- diffracter (s’étaler au-delà d’une ouverture)
- transmettre (passer directement)
- ou être absorbé
Photons
La lumière se comporte également comme des paquets d’énergie appelés Photons.
- Nous pouvons mesurer la position et l’élan d’un photon.
- Les photons n’ont pas de masse, mais chaque photon a une quantité d’énergie basée sur sa fréquence (nombre de vibrations par seconde)
- Chaque photon a une longueur d’onde
Donc c’est comme une particule et aussi comme une onde. C’est ce qu’on appelle la « dualité onde-particule ».
Einstein a écrit:
« Il semble que nous devions utiliser parfois une théorie et parfois l’autre, alors que parfois nous pouvons utiliser l’une ou l’autre. »
Intensité
L’intensité est la puissance par zone, généralement en Watts par mètre carré:
Intensité= W / m2
Exemple: Soleil sur une petite maison de 100 mètres carrés
Environ 150 à 300 watts d’énergie sont reçus du Soleil par mètre carré.
Choisissons le plus petit nombre:
Intensité = 150 W/m2
Quelle est la puissance sur tout le toit?
Puissance = 150 W / m2 × 100 m2
Puissance = 15 000 W
Ainsi, une petite maison reçoit environ 15 kilowatts sur son toit, ce qui est plusieurs fois plus qu’un usage domestique.
Mais c’est seulement pendant que le Soleil brille, et seulement environ 20% peuvent être capturés par des panneaux solaires typiques
Mais c’est encore beaucoup d’énergie du Soleil.
Carré inverse
|
Carré inverse : lorsqu’une valeur diminue comme le carré de l’autre valeur. |
Exemple: lumière et distance
Plus nous sommes éloignés d’une lumière, moins elle est lumineuse.
La luminosité diminue au carré de la distance. Parce que la lumière s’étale dans toutes les directions:
- l’énergie deux fois plus éloignée est répartie sur 4 fois la surface
- l’énergie 3 fois plus éloignée est répartie sur 9 fois la surface
- etc
Polarisation
La lumière est normalement libre de vibrer dans n’importe quelle direction perpendiculairement à son trajet.
Mais la lumière polarisée vibre dans un seul plan:
La lumière est partiellement polarisée lorsqu’elle rebondit sur des surfaces comme l’eau ou le verre.
Les lentilles polarisantes peuvent bloquer la lumière de ce plan, pour réduire la lumière réfléchie et faciliter la vision dans l’eau:
Sans et avec une lentille polarisante
Fibre optique
La lumière et les infrarouges peuvent être envoyés le long de câbles à fibres optiques, transportant des informations codées dans la longueur d’onde.
Câbles à fibres optiques
La lumière reste à l’intérieur en raison d’une propriété particulière de réfraction: lorsque l’indice de réfraction est plus bas à l’extérieur et que l’angle n’est pas trop raide, le faisceau lumineux a une réflexion interne totale à l’intérieur:
La lumière rebondit sur les parois à l’intérieur du câble
Les câbles à fibres optiques sont bien meilleurs que les fils électriques:
- Les fils reçoivent plus de « bruit » (autres signaux qui déforment ou interfèrent avec l’original) des lignes électriques, de la télévision, de la radio, foudre etc.
- Les photons n’ont pas de masse et peuvent donc basculer rapidement entre 0 et 1. Les électrons ont une masse et sont lents en comparaison
- Le verre a beaucoup moins de résistance à la lumière que le cuivre aux signaux électriques, donc peut aller beaucoup plus loin sans avoir besoin d’un coup de pouce