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Lumière et vision

Comprendre le trajet de la lumière jusqu'à l'œil.

Physique 5ème Chapitre 4 / 8 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Schématiser le trajet de la lumière d'un objet à l'œil
  • Expliquer la diffusion
  • Classer des milieux selon leur transparence

Ferme les yeux, puis rouvre-les : la pièce autour de toi réapparaît instantanément. Ce geste tout simple cache une question que les savants se sont posée pendant des siècles : comment fait-on pour voir ? Longtemps, on a cru que l’œil « envoyait » quelque chose vers les objets, un peu comme un projecteur. C’est faux, et tu vas comprendre pourquoi dans ce chapitre.

Tu vois une fleur, un camarade, un tableau parce que de la lumière part de ces objets et arrive jusqu’à ton œil. Sans lumière, pas de vision : dans une pièce sans aucune fenêtre ni lampe allumée, plus rien n’est visible, même en gardant les yeux grands ouverts. C’est la lumière qui voyage, jamais ton regard.

Dans ce chapitre, tu vas apprendre à repérer les objets qui fabriquent de la lumière et ceux qui se contentent de la renvoyer, à tracer le trajet exact que suit la lumière d’un objet jusqu’à ton œil, à comprendre comment fonctionne cet œil en le comparant à un appareil photo, puis à classer les matériaux selon qu’ils laissent passer la lumière ou non. Tu sauras enfin pourquoi il ne faut jamais regarder le Soleil en face.

1Objets lumineux et objets éclairés

Autour de toi, tous les objets visibles ne se ressemblent pas. Certains fabriquent leur propre lumière ; d’autres se contentent de la recevoir puis de la renvoyer. Cette distinction est le tout premier réflexe à avoir en physique de la lumière.

1.1  Les sources de lumière

Définition

Un objet lumineux (ou source de lumière) est un objet qui produit lui-même de la lumière. On dit aussi qu’il est primaire.

Exemple — sources naturelles et artificielles

Sources naturelles : le Soleil et les étoiles, un éclair pendant l’orage, une luciole, la lave d’un volcan en fusion.

Sources artificielles (fabriquées par l’être humain) : une ampoule allumée, la flamme d’une bougie ou d’un briquet, un écran de téléphone allumé, un panneau lumineux, un laser.

Attention

Une lampe éteinte n’est pas une source de lumière : elle ne produit rien tant que le courant ne la traverse pas. Ce qui compte, c’est l’état de l’objet au moment où on l’observe.

1.2  Les objets éclairés

Définition

Un objet éclairé est un objet qui ne produit pas sa propre lumière. Il devient visible seulement parce qu’il reçoit de la lumière d’une source, puis la renvoie dans toutes les directions.

La très grande majorité des objets qui t’entourent — ta table, ce livre, tes vêtements, un mur, une chaise — sont des objets éclairés : ils sont invisibles dans le noir complet.

Exemple — classer les objets d’une salle de classe

Dans une salle de classe : le Soleil vu par la fenêtre et les tubes néons allumés au plafond sont des objets lumineux. Le tableau, les tables, les cahiers et même l’écran de télévision éteint sont des objets éclairés : ils ne produisent rien, ils renvoient seulement la lumière qu’ils reçoivent.

Attention — piège classique

La Lune semble briller la nuit, mais elle ne fabrique aucune lumière : c’est un objet éclairé qui renvoie la lumière du Soleil vers la Terre. Sans Soleil, la Lune serait invisible et totalement noire. Il en va de même pour une planète comme Mars : on ne la voit que parce qu’elle est éclairée par le Soleil.

Physique & Co — Anaxagore et la vraie nature de la Lune

Vers -450, le philosophe grec Anaxagore affirme, à contre-courant des croyances de son époque, que la Lune ne brille pas par elle-même : elle réfléchit la lumière du Soleil. Cette idée lui permet aussi d’expliquer correctement les éclipses. Elle dérange tellement ses contemporains qu’Anaxagore est accusé d’impiété et doit fuir Athènes. Il faudra des siècles pour que cette explication, pourtant juste, s’impose durablement.

Retiens le réflexe : face à un objet visible, demande-toi toujours « est-ce qu’il produit sa propre lumière, ou est-ce qu’il la reçoit d’ailleurs ? »

2Trajet de la lumière et vision

2.1  La lumière se propage en ligne droite

Propriété

Dans un milieu transparent et homogène (comme l’air ou le vide), la lumière se propage en ligne droite. On représente son trajet par un rayon lumineux : une flèche qui indique la direction et le sens de propagation.

Exemple — voir la ligne droite

Les rayons du Soleil qui traversent un trou dans les nuages forment des traits bien droits. Le faisceau d’une lampe de poche dans une pièce poussiéreuse, ou les phares d’une voiture dans le brouillard, dessinent eux aussi une ligne parfaitement droite.

Un ensemble de rayons lumineux forme un faisceau. Il peut être parallèle (rayons du Soleil, très éloigné), divergent (rayons qui s’écartent, comme ceux d’une ampoule) ou convergent (rayons qui se rapprochent vers un même point, comme dans une loupe qui concentre la lumière).

2.2  La vitesse de la lumière

Définition

La lumière se déplace à une vitesse énorme mais non infinie : dans l’air ou le vide,

v≈300 000 km/s≈3×108 m⋅s−1v \approx 300\,000\ \text{km/s} \approx 3 \times 10^{8}\ \text{m·s}^{-1}

C’est la plus grande vitesse connue dans l’Univers.

Exemple — la lumière met du temps à voyager

La lumière du Soleil met environ 8 minutes et 20 secondes pour atteindre la Terre. Quand tu regardes le Soleil (jamais directement !), tu le vois donc tel qu’il était 8 minutes plus tôt. Calculons le temps de trajet Terre-Lune.

  1. distance Terre–Lune d≈384 000d \approx 384\,000 km
  2. t=dvt = \dfrac{d}{v}
  3. ==384 000300 000\dfrac{384\,000}{300\,000}
  4. ≈\approx1,31{,}3 sla lumière met un peu plus d’une seconde pour aller de la Lune à la Terre
Physique & Co — Ibn al-Haytham corrige l’Antiquité

Pendant l’Antiquité, beaucoup de savants (dont Euclide et Ptolémée) pensaient que l’œil envoyait un « feu visuel » vers les objets pour les palper. Vers 1021, le savant Ibn al-Haytham (Alhazen), dans son Traité d’optique rédigé au Caire, démontre au contraire que c’est la lumière qui va des objets vers l’œil, et que l’œil ne fait que la recevoir. Fondée sur des expériences précises, cette découverte marque la naissance de l’optique moderne.

2.3  Comment on voit un objet

Attention — la fausse idée à éliminer

Beaucoup d’élèves écrivent : « Je vois cette fleur parce que mon œil envoie de la lumière vers elle. » C’est faux. Comme Ibn al-Haytham l’a montré, c’est l’inverse : l’œil ne fait que recevoir de la lumière, il n’en émet jamais.

Définition

Voir un objet, c’est recevoir dans l’œil de la lumière qui provient de cet objet. Deux cas sont possibles : l’objet est lui-même une source (il envoie sa propre lumière), ou l’objet est éclairé et diffuse vers l’œil une partie de la lumière qu’il reçoit.

Comment on voit un objet Objet Œil Seule une petite partie de la lumière diffusée par l’objet entre dans l’œil.
Figure 1 — Schéma correct de la vision : la lumière part de l’objet et arrive dans l’œil — jamais l’inverse.
Méthode — tracer le trajet de la lumière jusqu’à l’œil

Pour représenter comment on voit un objet éclairé : place l’objet, la source qui l’éclaire, et l’œil de l’observateur. Trace un premier rayon de la source vers l’objet (trait avec une flèche), puis un second rayon de l’objet vers l’œil (autre trait avec une flèche). Jamais de flèche partant de l’œil.

Cette suite en deux étapes — source → objet puis objet → œil — est la seule façon correcte de représenter la vision d’un objet éclairé. Retiens-la : elle revient dans presque tous les schémas d’optique de ce chapitre.

3L’œil : modèle simplifié

L’œil est l’organe qui reçoit la lumière et permet au cerveau de construire une image du monde. Sans entrer dans tous les détails du corps humain, la physique retient un modèle simplifié avec quelques éléments clés.

3.1  Les parties de l’œil

Définition

Dans le modèle simplifié de l’œil, on retient quatre éléments : la cornée (surface transparente à l’avant, qui laisse entrer la lumière), la pupille (l’ouverture noire au centre de l’iris, qui règle la quantité de lumière admise), le cristallin (une lentille souple qui fait converger la lumière) et la rétine (la paroi du fond de l’œil, sensible à la lumière, où se forme l’image). Le nerf optique transporte ensuite l’information vers le cerveau.

Coupe simplifiée de l’œil humain → cerveau Cornée Cristallin Rétine Pupille (iris) Nerf optique → cerveau
Figure 2 — Modèle simplifié de l’œil : la lumière traverse la cornée, la pupille et le cristallin, puis forme une image sur la rétine.
Attention

La pupille n’est pas un objet : c’est un trou, l’ouverture au centre de l’iris. C’est l’iris (la partie colorée, bleue, verte ou marron) qui se resserre ou s’élargit pour agrandir ou réduire cette ouverture selon la quantité de lumière.

3.2  Comparaison avec l’appareil photo

Un appareil photo a été conçu en s’inspirant du fonctionnement de l’œil : les deux systèmes font converger la lumière pour former une image sur une surface sensible.

ŒilRôleAppareil photo
Cornéelaisse entrer la lumièrevitre de protection
Pupille (iris)règle la quantité de lumièrediaphragme
Cristallinfait converger la lumièreobjectif (lentille)
Rétinesurface où se forme l’imagecapteur numérique (ou pellicule)
Exemple — s’adapter à la lumière

Dans une pièce sombre, ta pupille s’élargit pour laisser entrer un maximum de lumière. En plein soleil, elle se resserre pour ne pas éblouir la rétine. C’est exactement ce que fait le diaphragme d’un appareil photo réglé en mode automatique.

3.3  La chambre noire : fabriquer une image

Définition

Une chambre noire (ou sténopé) est une boîte totalement fermée et opaque, percée d’un petit trou sur une face. Sur la face opposée, à l’intérieur, on place un écran (papier calque). Une image de l’extérieur s’y forme, sans aucune lentille.

La chambre noire : marche des rayons lumineux Objet Trou (sténopé) Écran Image renversée Les rayons se croisent exactement au niveau du trou : l’image obtenue est inversée.
Figure 3 — Dans une chambre noire, chaque rayon lumineux issu de l’objet traverse le trou en ligne droite : les rayons du haut de l’objet finissent en bas de l’écran, et inversement.
Démonstration — pourquoi l’image est-elle inversée ?

La lumière se propage en ligne droite (propriété du §2.1). Un rayon issu du haut de l’objet et un rayon issu du bas de l’objet doivent tous les deux passer par l’unique trou pour atteindre l’écran.

Le rayon parti du haut de l’objet, en ligne droite à travers ce trou unique, continue vers le bas de l’écran. Le rayon parti du bas de l’objet continue, lui, vers le haut de l’écran. Les deux rayons se croisent exactement au niveau du trou : c’est ce croisement qui inverse l’image, en haut comme en bas et en gauche comme en droite.

Méthode — fabriquer une chambre noire

Prends une boîte opaque (boîte à chaussures). Perce un petit trou rond au centre d’une des petites faces. Sur la face opposée, à l’intérieur, colle une feuille de papier calque. Dans une pièce sombre, dirige le trou vers une fenêtre bien éclairée ou une bougie : une image renversée de la scène apparaît sur le papier calque.

3.4  Persistance rétinienne et illusions

Définition

La persistance rétinienne est le fait que l’œil garde en mémoire une image reçue pendant une fraction de seconde après sa disparition. Le cerveau « colle » alors les images entre elles.

Exemple — le cinéma trompe ton œil

Un film n’est en réalité qu’une suite de photos fixes projetées très vite (au moins 24 images par seconde). Grâce à la persistance rétinienne, tu ne vois jamais les images séparées : ton cerveau reconstruit l’illusion d’un mouvement continu.

3.5  Protéger ses yeux

Attention — danger réel

Il ne faut jamais regarder directement le Soleil, même quelques secondes, même avec des lunettes de soleil ordinaires : la rétine, très fragile, peut être brûlée définitivement et sans douleur. C’est particulièrement dangereux pendant une éclipse de Soleil, quand la lumière est moins éblouissante mais tout aussi dangereuse : seules des lunettes spéciales certifiées (filtre solaire) protègent les yeux. Un faisceau laser, même de faible puissance, ne doit jamais être dirigé vers un œil : sa lumière est extrêmement concentrée.

4Diffusion de la lumière

4.1  Qu’est-ce que la diffusion ?

Définition

La diffusion est le phénomène par lequel un objet éclairé renvoie la lumière qu’il reçoit dans toutes les directions de l’espace, et non dans une seule direction précise.

C’est grâce à la diffusion que tu peux voir un objet éclairé depuis n’importe quel endroit de la pièce, sans avoir besoin de te placer à un endroit précis. Une feuille de papier, un mur, un visage, un tee-shirt diffusent la lumière : chaque point de leur surface la renvoie dans toutes les directions.

Exemple — pourquoi tout le monde voit le tableau

Dans une salle de classe, tous les élèves voient le tableau éclairé, même ceux assis sur le côté ou tout au fond. C’est parce que chaque point du tableau diffuse la lumière qu’il reçoit vers toutes les directions : il y en a toujours une partie qui part vers chaque élève.

4.2  Diffusion et réflexion : deux comportements différents

Propriété

Une surface rugueuse (mate) diffuse la lumière dans toutes les directions. Une surface très lisse et polie, comme un miroir ou l’eau calme, renvoie la lumière de façon régulière : c’est la réflexion. Dans ce cas, l’image ne se voit que depuis certaines directions bien précises.

Attention

Ne confonds pas les deux ! Un mur blanc mat diffuse : tu le vois clair depuis n’importe où, mais il ne renvoie aucune image nette. Un miroir réfléchit : il te renvoie une image précise, mais seulement si tu es placé au bon endroit pour la recevoir dans les yeux.

C’est aussi grâce à la diffusion que tu peux voir la trajectoire d’un rayon laser dans une pièce enfumée ou poussiéreuse : les fines particules en suspension diffusent une partie de la lumière du rayon vers ton œil. Dans un air parfaitement propre, ce même rayon resterait invisible sur le côté : seul un objet placé directement dans son trajet le rendrait visible.

5Milieux transparents, translucides, opaques

5.1  Trois catégories de milieux

Définition

Un milieu transparent laisse passer la lumière et on voit nettement les objets à travers lui (verre, eau claire, air). Un milieu translucide laisse passer une partie de la lumière, mais la disperse : on distingue une clarté ou des formes floues, jamais des détails nets (verre dépoli, papier calque, brouillard léger). Un milieu opaque ne laisse passer aucune lumière : il forme une ombre derrière lui (bois, métal, mur, carton).

Trois façons de laisser passer (ou non) la lumière Transparent verre, eau claire, air Translucide verre dépoli, papier calque ombre Opaque bois, métal, mur
Figure 4 — Un milieu transparent laisse voir net, un milieu translucide disperse la lumière, un milieu opaque l’arrête et projette une ombre.
Attention — piège classique

« Translucide » ne veut pas dire « coloré », et « transparent » ne veut pas dire « invisible ». Une vitre transparente teintée en bleu reste transparente : on voit toujours nettement à travers, seule la couleur change. Ce qui définit la catégorie, c’est la netteté de ce qu’on voit à travers, pas la couleur.

5.2  Ombre propre et ombre portée

Définition

Un objet opaque éclairé présente une ombre propre : la partie de l’objet lui-même qui n’est pas éclairée. Il produit aussi une ombre portée : la zone sombre qu’il projette sur une surface, là où ses propres rayons lumineux ne peuvent pas arriver à cause de l’objet.

Exemple — le cadran solaire

Un cadran solaire utilise l’ombre portée d’une tige verticale (le style) éclairée par le Soleil : selon l’heure de la journée, la direction du Soleil change, donc la direction de l’ombre portée sur le cadran change aussi. C’est une application directe de la propagation rectiligne de la lumière.

Une éclipse de Soleil n’est rien d’autre qu’une immense ombre portée : la Lune, opaque, se place exactement entre le Soleil et une partie de la Terre, et son ombre portée balaie une bande étroite de la surface terrestre. Aux endroits touchés par cette ombre, le Soleil semble caché quelques minutes.

Fiche mémo

  • Objet lumineux : produit sa propre lumière. Objet éclairé : reçoit puis renvoie la lumière d’une source (la Lune est un objet éclairé).
  • Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite (rayon lumineux).
  • Vitesse de la lumière : v≈300 000 km/s≈3×108 m⋅s−1v \approx 300\,000\ \text{km/s} \approx 3\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1} — non infinie.
  • Voir un objet, c’est recevoir de la lumière venant de lui dans son œil. L’œil ne rejette jamais de lumière vers l’objet.
  • Trajet correct : source → objet puis objet → œil, jamais l’inverse.
  • Modèle simplifié de l’œil : cornée, pupille (ouverture dans l’iris), cristallin, rétine, nerf optique — à comparer avec vitre, diaphragme, objectif, capteur d’un appareil photo.
  • Chambre noire (sténopé) : boîte opaque percée d’un trou ; l’image obtenue sur l’écran est inversée, car les rayons se croisent au niveau du trou.
  • Persistance rétinienne : l’œil garde une image en mémoire une fraction de seconde ; base des illusions de mouvement (cinéma).
  • Ne jamais regarder le Soleil, une éclipse ou un laser sans protection certifiée : la rétine peut être brûlée sans douleur.
  • Diffusion : un objet éclairé renvoie la lumière dans toutes les directions (surface rugueuse) — différent de la réflexion régulière d’un miroir (surface lisse).
  • Milieux : transparent (on voit net à travers), translucide (lumière dispersée, formes floues), opaque (aucune lumière ne passe, ombre portée).
  • Ombre propre : partie non éclairée de l’objet. Ombre portée : zone sombre projetée par l’objet sur une surface.

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Classe chaque objet en « objet lumineux » ou « objet éclairé » : le Soleil ; la Lune ; une bougie allumée ; une table en bois ; un écran de téléphone allumé ; une étoile ; un miroir ; ce livre.

Voir le corrigé détaillé

Objets lumineux (produisent leur propre lumière) : le Soleil, une bougie allumée, un écran de téléphone allumé, une étoile.

Objets éclairés (renvoient une lumière reçue) : la Lune, une table en bois, un miroir, ce livre.

2

Complète : « Un ensemble de rayons lumineux forme un ……… . Il peut être ……… (rayons du Soleil), ……… (rayons d’une ampoule) ou ……… (rayons concentrés par une loupe). »

Voir le corrigé détaillé

« Un ensemble de rayons lumineux forme un faisceau. Il peut être parallèle (rayons du Soleil), divergent (rayons d’une ampoule) ou convergent (rayons concentrés par une loupe). »

3

Associe chaque partie de l’œil à son rôle : (a) cornée, (b) pupille, (c) cristallin, (d) rétine — (1) surface où se forme l’image, (2) lentille qui fait converger la lumière, (3) ouverture qui règle la quantité de lumière, (4) surface transparente à l’avant de l’œil.

Voir le corrigé détaillé

(a) cornée → (4) surface transparente à l’avant. (b) pupille → (3) ouverture qui règle la quantité de lumière. (c) cristallin → (2) lentille qui fait converger la lumière. (d) rétine → (1) surface où se forme l’image.

4

Classe en transparent, translucide ou opaque : une vitre de fenêtre ; un mur en parpaing ; du papier calque ; de l’eau claire de rivière ; un carton ; un verre dépoli ; l’air.

Voir le corrigé détaillé

Transparents : une vitre de fenêtre, l’eau claire de rivière, l’air.

Translucides : le papier calque, le verre dépoli.

Opaques : un mur en parpaing, un carton.

5

La lumière du Soleil met t=500t = 500 s pour atteindre la Terre. Sachant que v≈300 000v \approx 300\,000 km/s, calcule la distance Terre-Soleil.

Voir le corrigé détaillé
  1. d=v×td = v \times t
  2. ==300 000×500300\,000 \times 500
  3. ==150 000 000150\,000\,000 kmsoit 150 millions de kilomètres
Niveau 2 — Approfondissement
6

Corrige la phrase suivante et explique l’erreur : « Je vois cette lampe allumée parce que mon œil envoie de la lumière vers elle. »

Voir le corrigé détaillé

La phrase confond le sens du trajet de la lumière. L’œil ne fabrique et n’envoie jamais de lumière. Ici, la lampe est un objet lumineux : c’est elle qui émet de la lumière, laquelle voyage en ligne droite jusqu’à l’œil de l’observateur, qui la reçoit. Phrase corrigée : « Je vois cette lampe allumée parce qu’elle envoie de la lumière jusqu’à mon œil, qui la reçoit. »

7

Dans une chambre noire, explique pourquoi l’image est inversée, puis explique ce qui se passe si on éloigne l’écran du trou (sans bouger l’objet ni le trou).

Voir le corrigé détaillé

L’image est inversée car la lumière se propage en ligne droite : le rayon issu du haut de l’objet et celui issu du bas de l’objet se croisent tous les deux au niveau de l’unique trou, avant de continuer chacun tout droit vers le côté opposé de l’écran.

Si on éloigne l’écran du trou, la distance trou-écran augmente : les rayons, qui continuent de diverger après leur croisement, parcourent une plus grande distance avant d’atteindre l’écran. L’image devient donc plus grande (mais aussi plus faible en luminosité, car la même quantité de lumière se répartit sur une plus grande surface).

8

Explique, avec un exemple précis, la différence entre la diffusion (mur mat) et la réflexion (miroir).

Voir le corrigé détaillé

Un mur mat diffuse la lumière : chaque point de sa surface renvoie la lumière reçue dans toutes les directions, si bien qu’on le voit clairement depuis n’importe quel endroit de la pièce — mais il ne renvoie aucune image reconnaissable.

Un miroir réfléchit la lumière de façon régulière : chaque rayon repart dans une direction bien précise (liée à celle du rayon incident). On y voit une image nette, mais seulement si l’œil se trouve exactement dans la direction où repart la lumière réfléchie ; depuis un autre endroit, on ne voit pas cette image.

9

La lumière met t=1,3t = 1{,}3 s pour aller de la Lune à la Terre. Sachant que v≈300 000v \approx 300\,000 km/s, calcule la distance Terre-Lune.

Voir le corrigé détaillé
  1. d=v×td = v \times t
  2. ==300 000×1,3300\,000 \times 1{,}3
  3. ==390 000390\,000 kmvaleur réelle mesurée : environ 384 400 km
Niveau 3 — Défi
10

On place un objet de hauteur h=20h = 20 cm à une distance d1=3d_1 = 3 m du trou d’une chambre noire. L’écran est situé à d2=15d_2 = 15 cm derrière le trou (voir figure).

  1. Rappelle pourquoi l’image formée sur l’écran est inversée.
  2. La hauteur de l’image HH vérifie Hh=d2d1\dfrac{H}{h} = \dfrac{d_2}{d_1}. Calcule HH (en exprimant d1d_1 et d2d_2 dans la même unité).
  3. Que deviendrait HH si on éloignait l’écran du trou, sans rien changer d’autre ?
Voir le corrigé détaillé
Quelle est la hauteur de l’image ? (schéma sans échelle) h = 20 cm Objet Trou H = ? d₁ = 3 m d₂ = 15 cm
Figure 5 — Chambre noire : hauteur de l’objet hh, distance objet-trou d1d_1, distance trou-écran d2d_2.

1. Le rayon issu du haut de l’objet et celui issu du bas de l’objet se croisent tous les deux au niveau du trou avant de continuer en ligne droite : celui du haut finit en bas de l’écran, celui du bas finit en haut. L’image est donc inversée.

2. On convertit d1d_1 en centimètres : d1=3d_1 = 3 m =300= 300 cm.

  1. Hh=d2d1\dfrac{H}{h} = \dfrac{d_2}{d_1}
  2. ⇒\RightarrowH=h×d2d1H = \dfrac{h \times d_2}{d_1}produit en croix
  3. ==20×15300\dfrac{20 \times 15}{300}
  4. ==300300\dfrac{300}{300}
  5. ==11 cm

3. Si on éloigne l’écran, d2d_2 augmente, donc le rapport d2d1\dfrac{d_2}{d_1} augmente : la hauteur HH de l’image augmente elle aussi.

11

Lors d’une éclipse totale de Soleil, la Lune se place exactement entre le Soleil et la Terre.

  1. Décris l’alignement des trois astres nécessaire à une éclipse de Soleil.
  2. Pourquoi l’éclipse totale n’est-elle visible que depuis une bande étroite de la surface terrestre, et non depuis toute la Terre ?
  3. Pourquoi est-il dangereux de regarder même une éclipse partielle sans protection certifiée ?
Voir le corrigé détaillé

1. L’alignement est : Soleil — Lune — Terre, dans cet ordre, la Lune se trouvant entre le Soleil et la Terre.

2. La Lune est beaucoup plus petite que le Soleil et assez éloignée de la Terre : son ombre portée sur la Terre, la lumière se propageant en ligne droite, dessine un cône très étroit qui ne balaie qu’une petite bande de la surface terrestre au fur et à mesure que la Lune se déplace. Seuls les endroits situés exactement dans ce cône d’ombre voient l’éclipse totale ; ailleurs, la Lune ne cache qu’une partie du Soleil (éclipse partielle) ou rien du tout.

3. Même partiellement cachée, la partie visible du Soleil émet encore une lumière extrêmement intense et dangereuse pour la rétine. L’obscurité partielle trompe l’œil, qui se dilate comme dans la pénombre et laisse alors entrer encore plus de cette lumière dangereuse : le risque de brûlure de la rétine est donc réel, sans aucune douleur ressentie.

12

Un film est projeté à raison de 24 images par seconde.

  1. Calcule la durée qui sépare deux images consécutives.
  2. Explique, à l’aide de la persistance rétinienne, pourquoi l’œil ne perçoit pas les images séparément.
  3. Que se passerait-il si le film n’était projeté qu’à 3 images par seconde ?
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. t=124t = \dfrac{1}{24}
  2. ≈\approx0,0420{,}042 ssoit environ 42 millisecondes

2. L’œil garde en mémoire une image reçue pendant une fraction de seconde après sa disparition (persistance rétinienne). Comme la durée entre deux images (42 ms) est plus courte que cette durée de persistance, le cerveau « recolle » les images entre elles et perçoit un mouvement continu au lieu d’une suite de photos fixes.

3. À 3 images par seconde, la durée entre deux images (environ 0,33 s) serait bien plus longue que la durée de persistance rétinienne : l’œil aurait le temps de « perdre » chaque image avant l’arrivée de la suivante. Le mouvement paraîtrait alors saccadé, comme une succession de photos, et non fluide.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

La fenêtre de Fatou (Dakar). Fatou veut habiller la fenêtre de sa salle de bain, à Dakar, avec du verre dépoli vendu 9 500 F CFA le mètre carré. La fenêtre mesure 1,20 m sur 0,80 m.

  1. Le verre dépoli est-il transparent, translucide ou opaque ? Pourquoi ce choix est-il judicieux pour une salle de bain ?
  2. Calcule l’aire de la fenêtre.
  3. Calcule le coût total du verre dépoli nécessaire.
Voir le corrigé détaillé

1. Le verre dépoli est translucide : il laisse passer la lumière (la salle de bain reste éclairée le jour) mais disperse les rayons, si bien qu’on ne distingue aucune forme nette à travers. C’est judicieux pour préserver l’intimité tout en gardant la lumière naturelle.

2.

  1. A=1,20×0,80A = 1{,}20 \times 0{,}80
  2. ==0,960{,}96 m²

3.

  1. coût =0,96×9 500= 0{,}96 \times 9\,500
  2. ==9 1209\,120 F CFA

Il faudra environ 9 120 F CFA de verre dépoli.

14

Le sténopé d’Ibrahim (N’Djamena). Pour la foire des sciences de son collège à N’Djamena, Ibrahim fabrique une chambre noire dont l’écran est à d2=20d_2 = 20 cm du trou. Il vise un arbre de hauteur h=3h = 3 m situé à d1=12d_1 = 12 m.

  1. Calcule la hauteur HH de l’image de l’arbre sur son écran.
  2. Pour construire sa boîte, Ibrahim achète un grand carton opaque à 1 500 F CFA et une feuille de papier calque (l’écran) à 500 F CFA. Calcule le coût total du matériel.
Voir le corrigé détaillé

1. On convertit d1d_1 en centimètres : d1=12d_1 = 12 m =1 200= 1\,200 cm.

  1. H=h×d2d1H = \dfrac{h \times d_2}{d_1}
  2. ==300×201 200\dfrac{300 \times 20}{1\,200}
  3. ==6 0001 200\dfrac{6\,000}{1\,200}
  4. ==55 cm

L’image de l’arbre mesurera 5 cm sur l’écran, et elle sera inversée.

2.

  1. coût =1 500+500= 1\,500 + 500
  2. ==2 0002\,000 F CFA
15

Observer l’éclipse (Abidjan / Bamako). Une classe de 45 élèves d’Abidjan veut observer une éclipse partielle de Soleil. Des lunettes de protection certifiées coûtent 750 F CFA l’unité, mais ne sont vendues que par lot de 10 lunettes.

  1. Pourquoi les élèves ne peuvent-ils pas se contenter de lunettes de soleil ordinaires ?
  2. Combien de lots faut-il acheter au minimum pour équiper les 45 élèves ?
  3. Calcule le coût total de l’achat.
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1. Des lunettes de soleil ordinaires ne filtrent pas assez la lumière : elles réduisent l’éblouissement, mais laissent encore passer une quantité de lumière et de rayonnement suffisante pour brûler la rétine, sans que la personne ressente la moindre douleur. Seul un filtre solaire certifié bloque assez de lumière pour une observation sans danger.

2. 45 élèves, lots de 10 :

  1. 45÷10=4,545 \div 10 = 4{,}5
  2. ⇒\Rightarrow55 lots4 lots ne suffiraient que pour 40 élèves ; il faut arrondir au lot supérieur

3.

  1. nombre de lunettes =5×10=50= 5 \times 10 = 50
  2. coût =50×750= 50 \times 750
  3. ==37 50037\,500 F CFA

Il faudra acheter 5 lots, pour un coût total de 37 500 F CFA (avec 5 lunettes en réserve).

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

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Un objet lumineux (ou source de lumière) est un objet qui :

Explication : Un objet lumineux, ou source primaire, fabrique lui-même de la lumière (le Soleil, une bougie allumée, un écran de téléphone allumé).

La Lune brille dans le ciel la nuit. Est-ce un objet lumineux ?

Explication : La Lune ne fabrique aucune lumière : c'est un objet éclairé qui renvoie la lumière du Soleil vers la Terre. Sans Soleil, elle serait invisible et noire.

Parmi ces objets, lequel est un objet lumineux ?

Explication : Une bougie allumée produit sa propre lumière : c'est un objet lumineux. Une lampe éteinte, elle, ne produit rien tant que le courant ne la traverse pas.

Dans un milieu transparent et homogène comme l'air, la lumière se propage :

Explication : Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. On représente son trajet par un rayon lumineux, une flèche indiquant sa direction.

Quelle est, environ, la vitesse de la lumière dans l'air ou le vide ?

Explication : La lumière se déplace à environ 300 000 km/s dans l'air ou le vide. C'est très rapide, mais ce n'est pas infini : c'est la plus grande vitesse connue dans l'Univers.

« Voir un objet », c'est :

Explication : Voir un objet, c'est recevoir dans l'œil de la lumière qui provient de cet objet (source ou objet éclairé qui diffuse). L'œil ne fait que recevoir la lumière, il n'en émet jamais.

Un élève affirme : « Je vois cette fleur parce que mon œil envoie de la lumière vers elle. » Cette phrase est :

Explication : C'est une idée fausse très répandue. Comme l'a montré Ibn al-Haytham, c'est la lumière qui va de l'objet vers l'œil, jamais l'inverse : l'œil ne fait que recevoir.

Pour représenter correctement comment on voit un objet éclairé, il faut tracer :

Explication : Le trajet correct est en deux étapes : source → objet, puis objet → œil. Jamais de flèche partant de l'œil.

Dans le modèle simplifié de l'œil, quel élément fait converger la lumière, comme une lentille ?

Explication : Le cristallin est une lentille souple qui fait converger la lumière, pour former une image nette sur la rétine.

Dans l'œil, à quoi sert la pupille ?

Explication : La pupille est un trou, l'ouverture au centre de l'iris. C'est l'iris qui se resserre ou s'élargit pour régler la quantité de lumière qui entre.

Dans la comparaison œil / appareil photo, à quoi correspond la rétine ?

Explication : La rétine, où se forme l'image, correspond au capteur numérique (ou à la pellicule) d'un appareil photo.

Dans une chambre noire (sténopé), l'image obtenue sur l'écran est :

Explication : La lumière se propage en ligne droite : le rayon issu du haut de l'objet et celui issu du bas se croisent au niveau de l'unique trou avant de continuer vers le côté opposé de l'écran, ce qui inverse l'image.

La persistance rétinienne, exploitée au cinéma, c'est le fait que :

Explication : Grâce à la persistance rétinienne, le cerveau « colle » les images entre elles : un film n'est qu'une suite de photos fixes projetées vite, mais on perçoit un mouvement continu.

Pourquoi ne faut-il jamais regarder directement le Soleil, même quelques secondes ?

Explication : Regarder directement le Soleil, même brièvement, peut brûler la rétine de façon définitive et sans douleur. C'est particulièrement dangereux pendant une éclipse, où seules des lunettes certifiées protègent les yeux.

Quelle différence sépare la diffusion (surface rugueuse comme un mur mat) de la réflexion (surface lisse comme un miroir) ?

Explication : Une surface rugueuse (mate) diffuse la lumière dans toutes les directions : on la voit clairement depuis n'importe où, mais sans image nette. Une surface lisse et polie (miroir) réfléchit : elle renvoie une image précise, mais visible seulement depuis certaines directions.

Un milieu translucide, comme du papier calque, se caractérise par le fait que :

Explication : Un milieu translucide laisse passer une partie de la lumière, mais la disperse : on distingue une clarté ou des formes floues, jamais des détails nets.

Classe ces trois matériaux selon leur catégorie : le verre d'une fenêtre, un mur en parpaing, du verre dépoli.

Explication : Le verre de fenêtre laisse voir net à travers (transparent). Le mur en parpaing arrête toute la lumière et forme une ombre (opaque). Le verre dépoli laisse passer une lumière diffuse mais floue (translucide).

Un objet opaque éclairé projette une zone sombre sur une surface derrière lui. Comment appelle-t-on cette zone ?

Explication : L'ombre portée est la zone sombre que l'objet projette sur une surface, là où ses rayons lumineux ne peuvent pas arriver à cause de l'objet. L'ombre propre, elle, est la partie non éclairée de l'objet lui-même.

Une éclipse de Soleil s'explique par :

Explication : Une éclipse de Soleil est une immense ombre portée : la Lune, opaque, se place entre le Soleil et une partie de la Terre, et son ombre balaie une bande de la surface terrestre.

Dans une chambre noire, si on éloigne l'écran du trou sans bouger l'objet ni le trou, que se passe-t-il pour l'image ?

Explication : Les rayons continuent de diverger après leur croisement au niveau du trou : en parcourant une plus grande distance, ils forment une image plus grande, mais la même quantité de lumière se répartit sur une plus grande surface, donc l'image est plus faible.
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