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Lumière et couleurs

Décomposer la lumière blanche et expliquer la couleur des objets.

Physique 5ème Chapitre 5 / 8 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Décrire la décomposition de la lumière blanche
  • Prévoir la couleur perçue derrière un filtre
  • Expliquer la couleur d'un objet

Le matin, après une averse, un arc-en-ciel apparaît parfois dans le ciel : sept couleurs qui semblent sortir de nulle part. Pourtant, cette lumière colorée existait déjà, cachée, à l'intérieur de la lumière du Soleil. Dans ce chapitre, tu vas découvrir que la lumière blanche n'est pas simple du tout : c'est en réalité un mélange de toutes les couleurs.

Tu vas apprendre à décomposer la lumière blanche avec un prisme, exactement comme Isaac Newton l'a fait il y a plus de trois cents ans. Tu vas aussi comprendre pourquoi l'écran de ton téléphone n'affiche que trois couleurs de minuscules points — rouge, vert et bleu — et pourtant montre des millions de nuances différentes. Enfin, tu sauras expliquer pourquoi une tomate paraît rouge en plein jour... et presque noire sous un projecteur vert !

Ce chapitre va changer ta façon de regarder le monde : après l'avoir étudié, tu ne verras plus jamais un arc-en-ciel, un écran ou une scène de concert de la même manière.

1Décomposition par un prisme

Définition

Un prisme est un bloc de verre (ou de plastique transparent) qui a la forme d'un triangle. Quand un rayon de lumière blanche (celle du Soleil ou d'une lampe ordinaire) traverse un prisme, il ressort étalé en une bande de couleurs : c'est la dispersion de la lumière.

Avant le prisme, le rayon paraît blanc et unique. Après le prisme, on voit une succession de couleurs qui se suivent toujours dans le même ordre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet (on retient souvent une version simplifiée à six couleurs, indigo et violet étant très proches). Cette bande colorée s'appelle un spectre.

Décomposition de la lumière blanche par un prisme prisme lumière blanche violet bleu vert jaune orange rouge le violet est dévié le plus, le rouge le moins
Figure 1 — Un rayon de lumière blanche traverse un prisme et ressort décomposé en un spectre de couleurs : c'est la dispersion de la lumière.
Exemple — le trajet dans le prisme

Un faisceau de lumière blanche entre par une face du prisme, puis ressort par une autre face. En sortant, il n'est plus blanc ni unique : il forme un petit arc-en-ciel sur l'écran ou le mur placé derrière. Chaque couleur du spectre sort du prisme avec un angle légèrement différent des autres, ce qui explique l'étalement.

Exemple — l'arc-en-ciel, un prisme naturel

Après la pluie, des milliers de gouttes d'eau flottent encore dans l'air. Chaque goutte se comporte comme un minuscule prisme : elle décompose la lumière du Soleil qui la traverse. C'est la somme de toutes ces petites décompositions, vues depuis le sol, qui dessine le grand arc coloré dans le ciel.

Attention

Le prisme ne fabrique pas les couleurs : il ne fait que les séparer. Les couleurs étaient déjà toutes présentes, mélangées, dans la lumière blanche avant même de traverser le verre. C'est l'erreur la plus fréquente : croire que le prisme « teinte » la lumière.

Physique & Co — L'expérience décisive de Newton

En 1666, le physicien anglais Isaac Newton (1642-1727) fait passer un rayon de soleil à travers un prisme, dans une chambre obscurée par des volets, et obtient un beau spectre coloré sur le mur. Mais certains savants de l'époque pensaient que c'était le verre du prisme qui teintait la lumière.

Newton imagine alors une expérience décisive, qu'il appelle l'experimentum crucis (« expérience cruciale ») : il place un second prisme, retourné, sur le trajet du faisceau déjà décomposé. Les couleurs se recombinent alors parfaitement pour redonner de la lumière blanche ! Cela prouve que le prisme ne crée aucune couleur : il se contente de séparer, puis de recombiner, ce qui était déjà présent dans la lumière blanche.

2Spectre de la lumière blanche

Définition

Le spectre de la lumière blanche est la suite continue de couleurs obtenue par dispersion : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. On dit qu'il est continu car les couleurs se fondent progressivement les unes dans les autres, sans frontière nette.

Attention

Il n'existe pas exactement « sept bandes séparées » dans le spectre. Entre le rouge et l'orange, par exemple, il existe une infinité de nuances intermédiaires. Le découpage en sept couleurs est une habitude pratique, pas une frontière physique réelle.

2.1  Recomposer la lumière blanche

Puisque la lumière blanche peut être décomposée, elle peut aussi être recomposée. Le disque de Newton en est la preuve la plus spectaculaire : un disque peint de six ou sept couleurs, mis en rotation rapide, paraît presque blanc (gris très clair) à l'œil.

Propriété

La lumière blanche est la superposition (l'addition) de toutes les couleurs du spectre. Décomposer puis recomposer entièrement le spectre redonne de la lumière blanche.

Le disque de Newton : recomposer la lumière blanche ↻ on le fait tourner très vite disque immobile : 6 couleurs bien visibles ⟶ presque blanc en rotation rapide : couleurs mélangées
Figure 2 — En tournant assez vite, le disque de Newton semble presque blanc : l'œil recompose les couleurs qu'il n'arrive plus à distinguer séparément.
Exemple — pourquoi le disque paraît blanc

Quand le disque tourne vite, chaque point de ta rétine reçoit très rapidement, l'une après l'autre, la lumière rouge, puis orange, puis jaune... Ton œil ne peut pas séparer des images qui changent en moins d'un vingtième de seconde environ : il les mélange automatiquement. Le cerveau reçoit alors l'équivalent de toutes les couleurs en même temps, ce qui donne une sensation de blanc (légèrement grisé, car la peinture n'est jamais parfaite).

Exemple — l'ordre des couleurs de l'arc-en-ciel

Dans un arc-en-ciel, le rouge est toujours à l'extérieur (en haut) et le violet à l'intérieur (en bas), car chaque goutte dévie le violet plus fortement que le rouge — exactement comme dans le prisme de la Figure 1. Cet ordre ne change jamais, où que tu sois dans le monde.

2.2  Lumières monochromatiques

Définition

Une lumière monochromatique est une lumière constituée d'une seule couleur (comme la lumière d'un laser rouge). Elle ne peut pas être décomposée davantage par un prisme : elle ressort du prisme déviée, mais toujours de la même couleur.

À l'inverse, la lumière blanche est dite polychromatique : elle contient plusieurs couleurs mélangées. C'est justement pour cela qu'un prisme peut la décomposer.

3Filtres colorés

Définition

Un filtre coloré est un objet transparent et coloré (verre, plastique, gélatine…) placé sur le trajet de la lumière. Il laisse passer certaines couleurs et absorbe (bloque) les autres.

Un filtre rouge, par exemple, laisse passer la lumière rouge et absorbe presque tout le reste. C'est pour cela qu'un filtre porte le nom de la couleur qu'il laisse passer, et non celle qu'il « ajoute ».

Méthode — prévoir la couleur perçue derrière un filtre

On se demande : la couleur que le filtre laisse passer est-elle présente dans la lumière qui arrive sur le filtre ?

  • Si oui : cette couleur traverse le filtre, on la voit.
  • Si non : rien ne traverse, on voit du noir.
Exemple — lumière blanche à travers un filtre rouge

La lumière blanche contient déjà du rouge (parmi toutes les autres couleurs). Un filtre rouge laisse donc passer cette composante rouge et absorbe le reste : derrière le filtre, la lumière paraît rouge.

Exemple — deux filtres superposés

On place un filtre rouge, puis un filtre vert, sur le trajet d'une même lumière blanche. Le filtre rouge ne laisse passer que du rouge. Puis ce rouge arrive sur le filtre vert, qui ne laisse passer que du vert : le rouge est donc absorbé à son tour. Résultat : rien ne traverse, on voit du noir.

Attention

Un filtre coloré n'ajoute jamais de couleur : il ne fait que soustraire (absorber) une partie de la lumière reçue. Un filtre ne peut jamais rendre une lumière plus riche en couleurs qu'elle ne l'était avant de le traverser.

4Synthèse additive

Définition

Les couleurs rouge (R), vert (V) et bleu (B) sont les couleurs primaires de la lumière. La synthèse additive consiste à superposer (additionner) des lumières colorées pour obtenir une nouvelle couleur, plus claire que chacune des lumières de départ.

Attention : on additionne ici des lumières, projetées les unes sur les autres (comme au théâtre, ou sur un écran) — ce n'est pas du tout la même chose que mélanger des peintures !

Synthèse additive des trois couleurs primaires de la lumière R V B Jaune Magenta Cyan Blanc on additionne des lumières colorées (pas des peintures)
Figure 3 — Rouge + Vert + Bleu superposés donnent du blanc ; pris deux à deux, ils donnent jaune, cyan et magenta.
Propriété

En synthèse additive de lumières colorées :

Lumière 1Lumière 2Couleur obtenue
RougeVertJaune
VertBleuCyan
RougeBleuMagenta
RougeVert + BleuBlanc
Exemple — deux projecteurs de spectacle

Sur une scène plongée dans le noir, un projecteur rouge et un projecteur vert éclairent le même point du sol. Là où les deux faisceaux se superposent, le sol paraît jaune — alors qu'aucune peinture jaune n'est présente !

Exemple — trois projecteurs

On ajoute maintenant un troisième projecteur, bleu, au même endroit que les deux précédents. Rouge + Vert + Bleu superposés donnent du blanc, comme au centre de la Figure 3.

Attention

Ne confonds pas avec la peinture ! Mélanger toutes les couleurs de peinture donne un marron sombre presque noir (on enlève de la lumière à chaque mélange : c'est la synthèse soustractive). Mélanger toutes les couleurs de lumière donne au contraire du blanc (on ajoute de la lumière). Les deux synthèses sont opposées.

Physique & Co — Trois couleurs pour tromper l'œil

En 1802, le savant anglais Thomas Young (1773-1829) propose une idée audacieuse : notre œil ne posséderait que trois types de récepteurs sensibles à la couleur, sur la rétine, chacun surtout sensible au rouge, au vert ou au bleu. Cette idée, complétée plus tard par le physicien allemand Hermann von Helmholtz vers 1850, explique pourquoi il suffit de trois couleurs primaires pour recréer, dans notre cerveau, la sensation de presque toutes les couleurs existantes — c'est exactement ce que font les écrans aujourd'hui.

4.1  Synthèse de deux couleurs (couleurs complémentaires)

Définition

Deux lumières colorées sont dites complémentaires quand leur superposition donne du blanc. D'après la Figure 3 : le cyan est complémentaire du rouge, le magenta est complémentaire du vert, le jaune est complémentaire du bleu.

5Couleur d'un objet éclairé

Définition

Un objet éclairé reçoit de la lumière : il en absorbe une partie et diffuse (renvoie dans toutes les directions) le reste. La couleur perçue d'un objet est la couleur de la lumière qu'il diffuse vers ton œil.

Méthode — prévoir la couleur perçue d'un objet éclairé

On se demande : la lumière que l'objet est capable de diffuser est-elle présente dans la lumière qui l'éclaire ?

  • Si oui : l'objet diffuse cette lumière, on voit sa couleur habituelle.
  • Si non : l'objet n'a rien à diffuser, on voit du noir.

Un objet « rouge » n'est pas rouge par magie : il est simplement fait d'une matière qui diffuse le rouge et absorbe les autres couleurs, quand il reçoit de la lumière blanche.

Lumière blanche rouge objet rouge diffuse le rouge, absorbe le reste Lumière verte absorbé objet rouge aucun rouge disponible → paraît NOIR
Figure 4 — Le même objet rouge, éclairé en lumière blanche puis en lumière verte : sans rouge dans la lumière reçue, rien n'est diffusé et l'objet paraît noir.
Démonstration — pourquoi l'objet paraît noir sous lumière verte

L'objet est fait d'une matière qui ne sait diffuser que le rouge : c'est une propriété physique de sa surface, qui ne dépend pas de l'éclairage.

Or, une lumière verte pure ne contient aucune composante rouge. L'objet reçoit donc de la lumière verte, tente de diffuser du rouge... mais il n'y a pas de rouge à diffuser. Toute la lumière verte reçue est absorbée. Aucune lumière ne repart vers l'œil : c'est exactement la définition du noir.

5.1  Objets blancs et objets noirs

Propriété

Un objet blanc diffuse toutes les couleurs qu'il reçoit : il paraît blanc sous lumière blanche, mais aussi rouge sous lumière rouge, vert sous lumière verte... Un objet noir absorbe toutes les couleurs qu'il reçoit : il reste noir, quelle que soit la lumière qui l'éclaire.

Exemple — un tee-shirt blanc en discothèque

Sous les projecteurs colorés d'une soirée, un tee-shirt blanc change sans cesse de couleur apparente : rouge sous lumière rouge, bleu sous lumière bleue... Il se contente de diffuser fidèlement toute la lumière colorée qu'il reçoit, quelle qu'elle soit.

Exemple — des chaussures noires

Que l'on soit en plein soleil ou sous un projecteur rouge de concert, des chaussures noires restent noires : elles absorbent presque toute la lumière reçue, quelle que soit sa couleur, et n'ont donc presque rien à diffuser.

Attention

La couleur d'un objet n'est pas une propriété fixe et absolue : c'est le résultat d'une rencontre entre la lumière qui l'éclaire et la matière dont il est fait. Change la lumière, et la couleur perçue peut changer radicalement — sauf pour le blanc et le noir, cas particuliers.

6Applications (écran, éclairage)

6.1  Les pixels d'un écran

Définition

Un écran (téléphone, télévision, ordinateur) est couvert de millions de pixels. Chaque pixel est en réalité composé de trois minuscules sous-pixels lumineux : un rouge, un vert et un bleu.

En allumant chaque sous-pixel avec plus ou moins d'intensité, l'écran réalise, en miniature, exactement la synthèse additive de la Figure 3. Vu de près, on distingue les trois points colorés ; vu à distance normale, l'œil les mélange et perçoit une seule couleur, nette et précise.

Les pixels d'un écran : synthèse additive miniature écran vu de très près (5 pixels) 1 pixel = 3 sous-pixels R V B vu de loin : un seul point blanc
Figure 5 — Chaque pixel d'écran contient trois sous-pixels rouge, vert, bleu : leurs intensités réglées séparément recréent, par synthèse additive, toutes les couleurs de l'image.

6.2  Éclairage et couleurs en spectacle

Sur une scène ou lors d'un concert, les techniciens utilisent des projecteurs de couleurs différentes pour créer des ambiances, exactement selon les règles de ce chapitre.

Exemple — un drapeau sous lumière colorée

Le drapeau du Sénégal comporte trois bandes : vert, jaune et rouge. Éclairé en lumière blanche, on voit ses trois couleurs normalement. Éclairé par un unique projecteur rouge de concert, seule la bande rouge reste visible normalement : la bande verte et la bande jaune, qui n'ont pas de rouge à diffuser, paraissent presque noires.

Exemple — retrouver une couleur de filtre à partir d'un mélange

Un éclairagiste veut obtenir une lumière jaune sur scène sans filtre jaune disponible. D'après la Figure 3, jaune = rouge + vert. Il superpose donc un projecteur rouge et un projecteur vert au même endroit : le mélange additif donne la teinte jaune recherchée.

Physique & Co — La diode qui manquait

Les diodes électroluminescentes (LED) rouges et vertes existent depuis les années 1960, mais il manquait la bleue pour fabriquer des écrans à LED capables d'afficher du blanc et toutes les couleurs. C'est le physicien japonais Shuji Nakamura qui met au point la première LED bleue efficace en 1993, une prouesse récompensée par le prix Nobel de physique en 2014. Depuis, les trois couleurs primaires rouge, verte, bleue sont enfin toutes disponibles en LED — ce sont elles qui allument, aujourd'hui, chaque pixel de nos écrans.

Fiche mémo

  • La lumière blanche est un mélange de toutes les couleurs (spectre continu).
  • Un prisme décompose la lumière blanche par dispersion ; il ne crée aucune couleur, il les sépare.
  • Ordre du spectre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet (violet le plus dévié).
  • Le disque de Newton, en rotation rapide, recompose ces couleurs en un blanc grisé.
  • Un filtre coloré laisse passer une couleur et absorbe les autres : il ne fait que soustraire.
  • Couleurs primaires de la lumière : rouge, vert, bleu (synthèse additive).
  • Rouge+Vert=Jaune ; Vert+Bleu=Cyan ; Rouge+Bleu=Magenta ; Rouge+Vert+Bleu=Blanc.
  • Synthèse additive (lumières) ≠ synthèse soustractive (peintures) : l'une ajoute vers le blanc, l'autre enlève vers le noir/marron.
  • La couleur d'un objet éclairé = couleur de la lumière qu'il diffuse vers l'œil.
  • Un objet ne peut diffuser que les couleurs qu'il reçoit : sans la bonne couleur en entrée, il paraît noir.
  • Objet blanc : diffuse tout. Objet noir : absorbe tout. Les deux ne changent jamais d'aspect.
  • Un pixel d'écran = 3 sous-pixels R, V, B dont les intensités recréent toutes les couleurs par synthèse additive.

7Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Cite les trois couleurs primaires de la lumière. Que donne leur superposition à parts égales ?

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Les trois couleurs primaires de la lumière sont le rouge, le vert et le bleu (RVB). Superposées à parts égales, elles donnent du blanc (synthèse additive, voir Figure 3).

2

Un rayon de lumière blanche traverse un prisme en verre. Décris ce qu'on observe en sortie, et donne l'ordre des couleurs obtenues, de la moins déviée à la plus déviée.

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En sortie du prisme, le rayon blanc unique est remplacé par une bande de couleurs qui se suivent : c'est le spectre de la lumière blanche, obtenu par dispersion. De la moins déviée à la plus déviée : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet.

3

Un filtre bleu est éclairé en lumière blanche. Quelle couleur voit-on derrière le filtre ? Et si on éclaire ce même filtre avec une lumière rouge pure ?

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La lumière blanche contient du bleu : le filtre bleu le laisse passer et absorbe le reste. Derrière le filtre, on voit du bleu.

La lumière rouge pure ne contient pas de bleu. Le filtre bleu absorbe alors toute cette lumière rouge : on voit du noir.

4

Complète : Rouge + Vert = … ; Vert + Bleu = … ; Rouge + Bleu = … ; Rouge + Vert + Bleu = …

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Rouge + Vert = Jaune ; Vert + Bleu = Cyan ; Rouge + Bleu = Magenta ; Rouge + Vert + Bleu = Blanc (voir le tableau et la Figure 3).

5

Un objet est noir. Sous une lumière rouge, quelle couleur paraît-il ? Justifie ta réponse.

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Un objet noir absorbe toutes les couleurs qu'il reçoit, quelle que soit la lumière incidente. Sous lumière rouge, il absorbe donc ce rouge et ne diffuse rien vers l'œil : il paraît toujours noir.

Niveau 2 — Approfondissement
6

On superpose sur le trajet d'une lumière blanche un filtre rouge, puis un filtre bleu. Quelle couleur voit-on en sortie ? Détaille chaque étape.

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Étape 1 : la lumière blanche traverse le filtre rouge. Elle contient du rouge, donc le filtre le laisse passer et absorbe le reste : en sortie du premier filtre, la lumière est rouge.

Étape 2 : cette lumière rouge arrive sur le filtre bleu. Le filtre bleu ne laisse passer que du bleu — or il n'y a plus que du rouge à cet endroit, aucun bleu. Le filtre bleu absorbe donc tout.

En sortie des deux filtres superposés : noir.

7

Un tissu vert est éclairé successivement par une lumière blanche, puis une lumière rouge, puis une lumière verte. Donne la couleur perçue du tissu dans chacun des trois cas, en justifiant.

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Lumière blanche : elle contient du vert ; le tissu diffuse ce vert et absorbe le reste → il paraît vert.

Lumière rouge : elle ne contient pas de vert ; le tissu n'a rien à diffuser → il paraît noir.

Lumière verte : elle ne contient que du vert, exactement ce que le tissu sait diffuser → il paraît vert, et même plus lumineux que sous la lumière blanche.

8

Deux projecteurs, l'un cyan et l'un rouge, éclairent le même point d'un mur blanc. Rappelle de quoi est composée une lumière cyan, puis déduis la couleur obtenue à cet endroit du mur.

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D'après la Figure 3, le cyan est obtenu par Vert + Bleu. Le point du mur reçoit donc : (Vert + Bleu) provenant du projecteur cyan, et Rouge provenant du second projecteur.

Au total, ce point reçoit Rouge + Vert + Bleu, c'est-à-dire les trois couleurs primaires réunies : le mur paraît blanc à cet endroit. (Le cyan et le rouge sont d'ailleurs des couleurs complémentaires, voir §4.1.)

9

Le disque de Newton de la Figure 2 comporte 6 secteurs colorés égaux. Calcule l'angle occupé par chaque secteur.

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  1. angle total du disque =360°= 360°
  2. nombre de secteurs égaux =6= 6
  3. angle d'un secteur =360°÷6= 360° \div 6
  4. ==60°60°

Chaque secteur coloré occupe 60°, exactement comme sur la Figure 2.

10

Un camarade affirme : « Un filtre vert transforme la lumière en vert, il ajoute du vert à ce qui le traverse. » Corrige cette affirmation avec le vocabulaire physique exact.

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Cette affirmation est fausse. Un filtre ne peut jamais ajouter de couleur : il ne fait que soustraire, c'est-à-dire absorber une partie de la lumière qu'il reçoit. Un filtre vert laisse simplement passer la composante verte déjà présente dans la lumière incidente, et absorbe toutes les autres. S'il n'y a pas de vert dans la lumière incidente, le filtre vert ne « fabriquera » aucun vert : on obtiendra du noir.

Niveau 3 — Défi
11

Les ombres colorées. Un objet opaque est placé devant un mur blanc, éclairé à la fois par une lampe rouge (à gauche) et une lampe verte (à droite), toutes deux allumées en même temps.

  1. Quelle couleur a le fond du mur, là où les deux lumières arrivent sans obstacle ?
  2. Décris la zone d'ombre créée par le blocage de la lampe rouge (elle ne reçoit alors que la lumière de l'autre lampe) : de quelle couleur paraît-elle, et de quel côté du mur se trouve-t-elle ?
  3. Même question pour la zone d'ombre créée par le blocage de la lampe verte.
Voir le corrigé détaillé

1. Le fond du mur reçoit à la fois la lumière rouge et la lumière verte : par synthèse additive, Rouge + Vert = Jaune.

2. La zone bloquée pour la lampe rouge ne reçoit plus que la lumière de la lampe verte : elle paraît donc verte. Comme l'objet bloque les rayons de la lampe rouge (à gauche) vers l'autre côté, cette ombre se forme du côté opposé à la lampe rouge, donc plutôt à droite.

3. Par le même raisonnement, la zone bloquée pour la lampe verte ne reçoit que la lumière rouge : elle paraît rouge, et se forme du côté opposé à la lampe verte, donc plutôt à gauche.

Expérience des ombres colorées lampe rouge lampe verte objet opaque fond du mur : jaune (rouge + vert) ombre rouge (bloque la lampe verte) ombre verte (bloque la lampe rouge)
Figure 6 — Deux lampes colorées et un seul objet créent deux ombres de couleurs différentes, chacune teintée par la lampe qui n'est pas bloquée à cet endroit.
12

Le professeur affirme : « Un objet vert éclairé par un mélange de lumière rouge et de lumière bleue (donc une lumière magenta) paraîtra vert-magenta. »

  1. Rappelle de quelles couleurs est composée une lumière magenta.
  2. Un objet vert peut-il diffuser du rouge ou du bleu ?
  3. Déduis la couleur réellement perçue de l'objet, et explique pourquoi l'affirmation du professeur est fausse.
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1. D'après la Figure 3, le magenta est obtenu par Rouge + Bleu : une lumière magenta ne contient ni vert.

2. Un objet vert diffuse uniquement le vert ; il absorbe toutes les autres couleurs, dont le rouge et le bleu. Il ne peut donc rien diffuser d'une lumière rouge ou bleue.

3. La lumière magenta ne contient pas de vert, et l'objet vert ne sait diffuser que du vert : il n'a donc absolument rien à diffuser. L'objet paraît noir, et non « vert-magenta » — cette couleur n'existe même pas dans ce contexte. L'affirmation du professeur est fausse : elle oublie qu'un objet ne peut renvoyer que les couleurs qu'il reçoit et qu'il est capable de diffuser.

13

Un laser émet une lumière rouge monochromatique. Un camarade affirme : « Si on fait traverser ce faisceau par un prisme, on va voir apparaître un arc-en-ciel derrière. »

  1. Rappelle la définition d'une lumière monochromatique.
  2. A-t-on raison de s'attendre à un arc-en-ciel ? Justifie.
  3. Que se passerait-il si on remplaçait le laser rouge par une lampe de lumière blanche ?
Voir le corrigé détaillé

1. Une lumière monochromatique est constituée d'une seule couleur : elle ne contient aucune autre couleur mélangée.

2. Le camarade a tort. Un prisme ne peut décomposer une lumière que si elle contient plusieurs couleurs mélangées. Le laser rouge n'en contient qu'une seule : en sortie du prisme, le faisceau sera simplement dévié (changé de direction), mais restera d'un rouge unique. Aucun arc-en-ciel n'apparaîtra.

3. Une lampe de lumière blanche est polychromatique : elle contient toutes les couleurs du spectre mélangées. Un prisme peut alors les séparer, chacune étant déviée différemment, et l'on obtiendrait bien un spectre coloré, comme sur la Figure 1.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
14

L'atelier lumière de Fatou (Dakar). Pour l'éclairage scénique d'un mariage, Fatou achète des gels de couleur pour ses projecteurs : un gel rouge et un gel vert coûtent chacun 2 500 FCFA, un gel bleu coûte 3 000 FCFA. Elle achète 4 gels rouges, 3 gels verts et 2 gels bleus.

  1. Calcule le coût total de sa commande.
  2. Pendant la soirée, elle superpose au même endroit de la piste un projecteur équipé du gel rouge et un projecteur équipé du gel vert. Quelle couleur obtient-elle sur la piste ?
  3. Pour l'entrée des mariés, elle veut un halo de lumière blanche pur. Quels gels doit-elle combiner, tous allumés en même temps ?
Voir le corrigé détaillé

1. Coût total :

  1. 4 gels rouges × 2 500\times\ 2\,500 FCFA =10 000= 10\,000 FCFA
  2. 3 gels verts × 2 500\times\ 2\,500 FCFA =7 500= 7\,500 FCFA
  3. 2 gels bleus × 3 000\times\ 3\,000 FCFA =6 000= 6\,000 FCFA
  4. total =10 000+7 500+6 000= 10\,000 + 7\,500 + 6\,000
  5. ==23 50023\,500 FCFA

2. Rouge + Vert = Jaune (synthèse additive, Figure 3).

3. Il faut allumer en même temps les trois projecteurs : rouge, vert et bleu. Rouge + Vert + Bleu = Blanc.

15

Le marché de nuit de Ndjamena. Aïcha vend des pagnes colorés sur le marché. Le soir, ses pagnes sont éclairés par des tubes fluorescents. Un client hésite devant un pagne qu'il trouve « vert terne » sous cette lumière, alors qu'en pleine journée, sous le soleil, ce même pagne lui avait paru d'un vert éclatant.

  1. Explique physiquement pourquoi le même pagne peut paraître différent selon l'éclairage, sans qu'il ait changé.
  2. Aïcha accepte finalement de vendre 4 pagnes identiques à 3 500 FCFA l'un, avec une réduction de 10 % pour cet achat groupé. Calcule le prix final payé par le client.
Voir le corrigé détaillé

1. La couleur perçue d'un objet dépend de la lumière qui l'éclaire, car l'objet ne peut diffuser que les couleurs qui sont déjà présentes dans cette lumière. Si l'éclairage du marché contient moins de vert (ou une lumière moins équilibrée) que la lumière du Soleil, le pagne aura moins de vert disponible à diffuser vers l'œil du client, et paraîtra donc plus terne, sans que le tissu lui-même ait changé.

2. Prix avant réduction :

  1. prix de 4 pagnes =4×3 500= 4 \times 3\,500
  2. ==14 00014\,000 FCFA
  3. réduction de 10%10\% =14 000×10100= 14\,000 \times \dfrac{10}{100}
  4. ==1 4001\,400 FCFA
  5. prix final =14 000−1 400= 14\,000 - 1\,400
  6. ==12 60012\,600 FCFA

Le client paiera 12 600 FCFA pour les quatre pagnes.

16

Fête de l'indépendance à Abidjan. Les organisateurs louent 6 projecteurs LED à 15 000 FCFA la journée, chacun, pour illuminer la façade de la mairie pendant 3 jours de festivités. Ils veulent éclairer le drapeau ivoirien (bandes orange, blanche, verte) suspendu sur la façade.

  1. Calcule le coût total de la location des projecteurs pour les 3 jours.
  2. Pourquoi les organisateurs doivent-ils absolument garder au moins un projecteur de lumière blanche braqué sur le drapeau s'ils veulent que ses trois couleurs restent toutes visibles ?
  3. Un technicien propose d'utiliser uniquement un projecteur rouge pour un effet de nuit spectaculaire. Quelle bande du drapeau va presque disparaître (paraître noire) sous cet éclairage ? Justifie.
Voir le corrigé détaillé

1. Coût total :

  1. coût d'un projecteur pour 3 jours =15 000×3= 15\,000 \times 3
  2. ==45 00045\,000 FCFA
  3. coût pour 6 projecteurs =45 000×6= 45\,000 \times 6
  4. ==270 000270\,000 FCFA

La location complète coûte 270 000 FCFA.

2. Seule la lumière blanche contient toutes les couleurs à la fois. C'est uniquement sous cette lumière que chaque bande du drapeau peut diffuser sa propre couleur : l'orange diffuse l'orange, le blanc diffuse tout, le vert diffuse le vert. Avec une lumière colorée unique, certaines bandes n'auraient pas leur couleur disponible dans la lumière reçue.

3. Sous un projecteur rouge, seule la bande blanche reste bien visible (elle diffuse toute lumière reçue, y compris le rouge) et la bande orange reste assez visible (l'orange contient une part de rouge). En revanche, la bande verte ne contient pas de rouge à diffuser : elle va presque disparaître et paraître noire.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

Qu'appelle-t-on la « dispersion » de la lumière ?

Explication : Quand un rayon de lumière blanche traverse un prisme, il ressort étalé en une bande de couleurs : c'est la dispersion.

La bande colorée obtenue après un prisme s'appelle :

Explication : Cette bande colorée continue s'appelle un spectre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.

Dans le spectre de la lumière blanche, quelle couleur est déviée le PLUS par le prisme ?

Explication : Le violet est dévié le plus par le prisme, le rouge le moins. C'est aussi pour cela que le violet est toujours à l'intérieur d'un arc-en-ciel.

Un prisme qui décompose la lumière blanche :

Explication : Le prisme ne fabrique pas les couleurs : elles étaient déjà toutes présentes, mélangées, dans la lumière blanche. Croire que le prisme « teinte » la lumière est l'erreur la plus fréquente.

Une lumière monochromatique, comme celle d'un laser rouge, est une lumière :

Explication : Une lumière monochromatique n'a qu'une seule couleur : un prisme la dévie mais ne peut pas la décomposer davantage. À l'inverse, la lumière blanche est polychromatique (plusieurs couleurs mélangées).

On éclaire un filtre rouge avec de la lumière blanche. Quelle couleur voit-on derrière le filtre ?

Explication : La lumière blanche contient déjà toutes les couleurs, dont le rouge. Le filtre rouge laisse passer cette composante rouge et absorbe le reste : on voit du rouge.

On superpose un filtre rouge puis un filtre vert sur le trajet d'une lumière blanche. Que voit-on derrière les deux filtres ?

Explication : Le filtre rouge ne laisse passer que du rouge ; ce rouge arrive ensuite sur le filtre vert, qui ne laisse passer que du vert. Le rouge est donc absorbé à son tour : rien ne traverse, on voit du noir.

Quelles sont les trois couleurs primaires de la lumière (synthèse additive) ?

Explication : Les couleurs primaires de la lumière sont le rouge (R), le vert (V) et le bleu (B). C'est différent des couleurs primaires de la peinture !

Un projecteur rouge et un projecteur vert éclairent le même point du sol, dans le noir. Quelle couleur voit-on à cet endroit ?

Explication : En synthèse additive, Rouge + Vert = Jaune. Le sol paraît jaune, alors qu'aucune peinture jaune n'est présente.

Que donne la superposition à parts égales des trois lumières primaires (rouge + vert + bleu) ?

Explication : Rouge + Vert + Bleu, superposés, donnent du blanc : c'est le principe de la synthèse additive des lumières.

Mélanger toutes les couleurs de peinture donne un marron presque noir, alors que mélanger toutes les couleurs de lumière donne du blanc. Pourquoi ?

Explication : Mélanger des peintures enlève de la lumière (synthèse soustractive) : on tend vers le noir. Mélanger des lumières en ajoute (synthèse additive) : on tend vers le blanc. Les deux synthèses sont opposées.

Un objet éclairé paraît d'une certaine couleur. Cette couleur perçue est :

Explication : Un objet absorbe une partie de la lumière reçue et diffuse le reste. La couleur perçue est la couleur de la lumière diffusée vers l'œil.

Un objet rouge (qui ne peut diffuser que du rouge) est éclairé par un projecteur de lumière verte pure. De quelle couleur paraît-il ?

Explication : La lumière verte pure ne contient aucun rouge. L'objet rouge ne peut diffuser que du rouge, mais il n'y en a pas à diffuser : toute la lumière verte reçue est absorbée, l'objet paraît noir.

Un objet blanc et un objet noir sont éclairés successivement par différentes lumières colorées. Que se passe-t-il ?

Explication : Un objet blanc diffuse toutes les couleurs qu'il reçoit : il paraît donc rouge sous lumière rouge, vert sous lumière verte... Un objet noir absorbe tout : il reste noir, quelle que soit la lumière.

Chaque pixel d'un écran de téléphone est en réalité composé de :

Explication : Chaque pixel contient trois sous-pixels rouge, vert, bleu. En réglant leur intensité séparément, l'écran recrée toutes les couleurs par synthèse additive.

Le drapeau du Sénégal (vert, jaune, rouge) est éclairé par un unique projecteur rouge de concert. Que se passe-t-il ?

Explication : Sous un projecteur rouge, seule la bande rouge a du rouge à diffuser et reste visible normalement. Les bandes verte et jaune n'ont pas de rouge à diffuser : elles paraissent presque noires.

Un éclairagiste veut obtenir une lumière jaune sur scène, sans filtre jaune disponible. Que doit-il faire ?

Explication : D'après la synthèse additive, jaune = rouge + vert. En superposant un projecteur rouge et un projecteur vert, il obtient la teinte jaune recherchée.

Une expérience historique de Newton a définitivement prouvé que le prisme ne crée aucune couleur. Laquelle ?

Explication : En 1666, Newton place un second prisme retourné sur le trajet du faisceau décomposé : les couleurs se recombinent parfaitement en lumière blanche. Cela prouve que le prisme sépare, puis peut aussi recomposer, ce qui était déjà présent.

Le disque de Newton, peint de plusieurs couleurs, mis en rotation rapide, paraît presque blanc à l'œil. Pourquoi ?

Explication : Quand le disque tourne vite, chaque point de la rétine reçoit très rapidement toutes les couleurs l'une après l'autre. L'œil ne peut pas séparer des images qui changent si vite : il les mélange, ce qui donne une sensation de blanc (légèrement grisé).

D'après la synthèse additive, quelle couleur est complémentaire du bleu (leur superposition donne du blanc) ?

Explication : D'après la figure du chapitre : le cyan est complémentaire du rouge, le magenta est complémentaire du vert, et le jaune est complémentaire du bleu (bleu + jaune = blanc).
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