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Sources de lumière et propagation

Comprendre d'où vient la lumière et comment elle se propage.

Physique 6ème Chapitre 4 / 8 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Distinguer source primaire et objet diffusant
  • Schématiser un rayon lumineux
  • Expliquer pourquoi on voit un objet

Ferme les yeux dans une pièce sans aucune fenêtre, la nuit, sans aucune lampe allumée. Tu ne vois rien — même pas ta propre main juste devant ton visage. Rallume la lumière : tout redevient visible en un instant. Ce petit jeu cache une question passionnante, celle de ce chapitre : d'où vient la lumière, comment elle se déplace, et pourquoi certains objets brillent tout seuls alors que d'autres ont simplement besoin d'être éclairés pour qu'on les voie ?

Tu vas découvrir que le Soleil, une bougie ou une lampe de poche fabriquent leur propre lumière, alors que la Lune, un mur ou ton tee-shirt n'en fabriquent aucune : ils se contentent de renvoyer la lumière qu'ils reçoivent. Tu vas aussi apprendre une règle toute simple mais très puissante : dans l'air d'une salle de classe, la lumière voyage toujours en ligne droite. Cette règle explique la forme des ombres, le fonctionnement d'un pointeur laser, et même pourquoi tu ne peux pas voir ce qui se passe au coin d'un mur.

Enfin, tu vas calculer à quelle vitesse la lumière se déplace — un nombre si grand qu'il te paraîtra presque irréel — et tu comprendras la vraie règle du « voir » : c'est la lumière qui va de l'objet vers ton œil, jamais l'inverse. Garde bien tes yeux ouverts : dans ce chapitre, on rappelle aussi les gestes qui les protègent, car la lumière, indispensable à la vie, peut aussi être dangereuse quand on la regarde de trop près.

1Sources primaires et objets diffusants

Regarde autour de toi : certains objets « brillent » par eux-mêmes, d'autres ont juste l'air clairs parce qu'on les éclaire. Sixième règle d'or de ce chapitre : ne confonds jamais les deux !

1.1  Les sources primaires

Définition

Une source primaire (ou source de lumière) est un objet qui fabrique lui-même sa propre lumière. On le voit même dans le noir complet, sans aucun autre éclairage.

Exemples : le Soleil et les étoiles, la flamme d'une bougie ou d'un feu, une lampe allumée, l'écran allumé d'un téléphone, un ver luisant.

Une source primaire émet de la lumière : elle en produit, à partir d'énergie (chaleur, électricité, réaction chimique…). Éteins-la, et elle redevient un objet ordinaire, invisible dans le noir.

1.2  Les objets diffusants

Définition

Un objet diffusant ne fabrique aucune lumière. Il se contente de renvoyer, dans toutes les directions, une partie de la lumière qu'il reçoit d'une source primaire. On dit qu'il diffuse la lumière.

Exemples : la Lune, un mur blanc, ton tee-shirt, une feuille de papier, la Lune, une table, ce livre.

Attention

La Lune ne brille pas toute seule ! C'est le piège le plus fréquent en 6ᵉ. La Lune est un objet diffusant : elle renvoie vers la Terre une partie de la lumière qu'elle reçoit du Soleil. Si le Soleil s'éteignait, la Lune deviendrait immédiatement noire, comme un mur dans une pièce sans lampe.

Exemple — classer des objets

Classe ces objets : le Soleil, un miroir, une lampe de poche allumée, un écran de télévision allumé, la Lune, un mur blanc, une étoile, une feuille de papier.

Sources primaires (fabriquent leur lumière) : le Soleil, la lampe de poche allumée, l'écran de télévision allumé, une étoile.

Objets diffusants (renvoient la lumière reçue) : un miroir, la Lune, un mur blanc, une feuille de papier.

Sources primaires ou objets diffusants ? Sources primaires fabriquent leur propre lumière Soleil, étoiles Flamme (bougie, feu) Lampe allumée → visibles même dans le noir total Objets diffusants renvoient la lumière reçue Lune (la nuit) Mur clair, vêtement Feuille de papier → invisibles dans le noir total Un objet diffusant a besoin d'une source primaire pour être vu.
Figure 1 — Deux familles bien distinctes : à gauche, les objets qui fabriquent leur lumière ; à droite, ceux qui se contentent de la renvoyer.
Exemple — pourquoi voit-on la Lune la nuit ?

La nuit, le Soleil éclaire toujours la Lune (le Soleil brille en permanence quelque part dans l'espace). Une partie de cette lumière est diffusée par la surface grise et poussiéreuse de la Lune, puis repart dans toutes les directions — dont celle de la Terre. C'est cette lumière diffusée, et uniquement elle, que tes yeux reçoivent quand tu regardes la Lune.

Physique & Co — La conquête de la lumière artificielle

Pendant des centaines de milliers d'années, l'humanité n'a eu que deux sources primaires : le Soleil le jour, et le feu qu'elle savait maîtriser depuis la préhistoire (torches, puis lampes à huile, puis bougies de cire ou de suif). Ces flammes restaient faibles, fragiles, et souvent dangereuses.

Il faut attendre 1879 pour que l'Américain Thomas Edison mette au point une ampoule électrique à incandescence capable de briller plusieurs dizaines d'heures — un filament de carbone chauffé jusqu'à devenir lumineux, enfermé dans une ampoule vide d'air. En quelques décennies, l'ampoule électrique a changé la vie quotidienne dans le monde entier, bien avant l'invention plus récente des lampes à LED, beaucoup plus économes en énergie.

2Propagation rectiligne

2.1  Une règle très simple

Propriété

Dans un milieu transparent et homogène (comme l'air d'une salle, le vide, ou l'eau claire d'une piscine), la lumière se propage en ligne droite. On parle de propagation rectiligne de la lumière.

« Homogène » veut simplement dire : toujours la même matière, sans changement en cours de route. Si la lumière traverse l'air d'une pièce, rien ne la fait dévier : elle fonce tout droit, comme une flèche tirée par un archer.

2.2  L'expérience des écrans percés

Méthode — vérifier la propagation rectiligne

On perce un petit trou identique dans trois écrans cartonnés, que l'on plante debout, l'un derrière l'autre. On place une lampe d'un côté et son œil de l'autre.

  • Si les trois trous et la lampe sont parfaitement alignés, la lumière traverse les trois trous et arrive jusqu'à l'œil : on voit la lampe allumée.
  • Dès qu'un seul écran est décalé, son trou n'est plus sur le trajet en ligne droite : la lumière est arrêtée, on ne voit plus rien.
(a) Les trois trous sont alignés avec la lampe et l'œil alignés → la lumière passe : on voit la lampe ! (b) Le 2ᵉ écran a été décalé décalé → la lumière est arrêtée : plus rien à voir !
Figure 2 — L'expérience des écrans percés : la lumière ne traverse les trois trous que si l'un peut « viser » les deux autres et la lampe, exactement en ligne droite.
Démonstration — pourquoi le décalage bloque tout

Un rayon de lumière parti de la lampe ne peut suivre qu'un seul trajet, la ligne droite. Ce trajet passe par un point précis sur chaque écran. Tant que ce point tombe exactement sur les trois trous, la lumière file jusqu'à l'œil sans obstacle. Mais si l'on déplace un écran, son trou change de position : la ligne droite issue de la lampe rencontre alors le carton plein de cet écran, pas son trou. La lumière ne peut ni tourner ni contourner l'obstacle : elle s'arrête net.

Exemple — un couloir bien droit

Dans un long couloir parfaitement droit, tu aperçois la porte de sortie tout au fond, éclairée. Si le couloir fait un coude à angle droit, tu ne vois plus la sortie tant que tu n'as pas toi-même tourné au coude : la lumière de la sortie ne peut pas « tourner le coin » pour venir jusqu'à toi.

Exemple — l'ombre d'un arbre

Un arbre éclairé par le Soleil projette une ombre bien nette sur le sol, exactement dans le prolongement en ligne droite des rayons du Soleil qui rencontrent son tronc et ses feuilles. C'est parce que la lumière va tout droit qu'une ombre a des bords nets, et non des bords flous comme un nuage de fumée.

Attention

La lumière ne contourne pas les obstacles et ne suit jamais une courbe (sauf cas très particuliers, hors programme de 6ᵉ). Si un objet opaque est sur le trajet, la lumière s'arrête là, elle ne « passe pas autour ».

3Faisceau et rayon lumineux

3.1  Le rayon lumineux, un modèle

Définition

Un rayon lumineux est un modèle que les physiciens utilisent pour représenter le trajet suivi par la lumière. On le dessine par un trait fin, terminé par une flèche qui indique le sens de propagation (de la source vers l'objet éclairé).

Attention : un rayon lumineux ne se voit pas dans la réalité (sauf poussière ou fumée dans l'air, qui le rend visible en diffusant un peu de lumière sur le côté). C'est un outil pour schématiser, comme une flèche sur une carte routière représente une route.

3.2  Le faisceau lumineux

Définition

Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux issus de la même source. Il peut être :

  • divergent : les rayons s'écartent les uns des autres (lampe de poche, ampoule, bougie) ;
  • parallèle : les rayons restent à égale distance les uns des autres (laser, ou rayons du Soleil qui, vu leur distance énorme, arrivent quasiment parallèles sur Terre) ;
  • convergent : les rayons se rapprochent vers un même point (lumière après une loupe).
Un rayon lumineux : un trait fin + une flèche (sens de propagation) Faisceau DIVERGENT (lampe de poche, bougie…) un rayon LASER Faisceau PARALLÈLE (laser, Soleil de loin)
Figure 3 — À gauche, une lampe de poche envoie un faisceau divergent ; à droite, un laser envoie un faisceau parallèle, beaucoup plus concentré et dangereux pour l'œil.
Exemple — schématiser une lampe de chevet

On dessine la lampe par un petit rond (ampoule). On trace 4 à 5 traits fins qui s'écartent de ce rond vers la table éclairée, chaque trait terminé par une flèche pointant vers la table. Le faisceau est divergent.

Exemple — comparer deux pointeurs

Un pointeur laser envoie un faisceau très fin et parallèle : le petit point rouge garde presque la même taille, même loin. Une lampe de poche envoie un faisceau divergent : la tache de lumière grandit et devient plus faible au fur et à mesure qu'on s'éloigne.

Attention — le laser et le Soleil sont dangereux pour l'œil

Un faisceau laser concentre beaucoup d'énergie lumineuse sur une toute petite surface. Dirigé dans un œil, il peut brûler la rétine en une fraction de seconde, de façon définitive et sans même provoquer de douleur immédiate. Règles absolues :

  • on ne dirige jamais un laser (même un simple pointeur) vers les yeux de quelqu'un, ni vers soi-même ;
  • on ne regarde jamais directement le Soleil, même avec des lunettes de soleil ordinaires, même quelques secondes, même pendant une éclipse — seules des lunettes spéciales « éclipse » certifiées protègent réellement l'œil.

4Vitesse de la lumière

4.1  Une vitesse énorme, mais pas infinie

Propriété

La lumière se propage à une vitesse extrêmement grande, mais pas infinie. Dans le vide ou dans l'air, elle parcourt environ :

v≈300 000 km/s(soit 300 000 000 m/s)v \approx 300\,000\ \text{km/s} \quad (\text{soit } 300\,000\,000\ \text{m/s})

300 000 kilomètres en une seule seconde : c'est plus de sept fois le tour de la Terre ! À cette vitesse, la lumière met un temps beaucoup trop court pour être perçu dans une salle de classe : quand tu allumes une lampe, tu as l'impression que la lumière remplit la pièce instantanément. Mais sur de très grandes distances, comme celles de l'espace, ce temps de trajet devient mesurable, et même énorme.

Méthode — calculer une durée de propagation

On utilise la relation entre distance, vitesse et durée, comme pour un trajet en voiture :

d=v×tdonct=dvd = v \times t \qquad \text{donc} \qquad t = \dfrac{d}{v}

avec dd en kilomètres, vv en km/s, tt en secondes.

Exemple — de la Terre à la Lune

La distance moyenne Terre-Lune vaut d≈384 000d \approx 384\,000 km.

  1. t=dvt = \dfrac{d}{v}
  2. ==384 000300 000\dfrac{384\,000}{300\,000}
  3. ≈\approx1,281{,}28 sarrondi au centième

La lumière (et donc l'image) que tu reçois de la Lune a un peu plus d'une seconde de retard sur la réalité : quand les astronautes d'Apollo parlaient à la Terre, il fallait attendre plus de 2 secondes (aller-retour) pour recevoir une réponse.

Exemple — de la Terre au Soleil

La distance moyenne Terre-Soleil vaut d≈150 000 000d \approx 150\,000\,000 km.

  1. t=dvt = \dfrac{d}{v}
  2. ==150 000 000300 000\dfrac{150\,000\,000}{300\,000}
  3. ==500500 s
  4. ==88 min 2020 s500=8×60+20500 = 8\times 60 + 20

Quand tu regardes le Soleil (jamais directement !), tu le vois en réalité tel qu'il était il y a 8 minutes et 20 secondes. S'il s'éteignait tout de suite, tu continuerais de « voir » le jour pendant encore plus de 8 minutes !

Soleil Terre 150 000 000 km durée du trajet : 8 min 20 s (≈ 500 s)
Figure 4 — La lumière du Soleil met environ 8 minutes 20 secondes à atteindre la Terre.
Attention

Ne dis jamais que la lumière se propage « instantanément » : elle a bien une vitesse, très grande mais finie. Ce qui est instantané en apparence, c'est simplement que les distances de la vie courante (une salle, une rue, une ville) sont bien trop petites pour que ton œil perçoive le moindre retard.

Physique & Co — le premier chronomètre de l'Univers

En 1676, l'astronome danois Ole Rømer, en observant depuis Paris les éclipses d'Io (une lune de Jupiter), remarque qu'elles semblent parfois en avance, parfois en retard sur les prévisions — selon que la Terre est plus proche ou plus loin de Jupiter sur son orbite. Il comprend que ce décalage vient du temps que met la lumière à parcourir la distance supplémentaire, et en déduit la première estimation de la vitesse de la lumière de l'histoire, déjà du bon ordre de grandeur.

Il faudra attendre 1849 pour que le Français Hippolyte Fizeau mesure cette vitesse directement sur Terre, entre Paris et Suresnes, à l'aide d'une roue dentée tournant très vite et d'un miroir placé à 8 km de distance.

5Conditions de visibilité d'un objet

5.1  Voir un objet : de l'objet vers l'œil

Propriété

On voit un objet lorsque de la lumière venant de cet objet entre dans l'œil. Cette lumière peut être :

  • émise directement par l'objet, s'il s'agit d'une source primaire ;
  • ou diffusée par l'objet, après avoir été reçue d'une source primaire, s'il s'agit d'un objet diffusant.

Dans les deux cas, la lumière voyage toujours de l'objet vers l'œil, jamais l'inverse.

Attention — l'erreur la plus fréquente

Beaucoup d'élèves imaginent, sans s'en rendre compte, que l'œil « envoie » un rayon vers l'objet regardé, comme un radar ou une lampe frontale. C'est faux. L'œil ne fait que recevoir de la lumière qui lui arrive ; il n'en émet jamais. Sans lumière qui parvient jusqu'à lui, l'œil ne voit strictement rien, même grand ouvert.

Pourquoi voit-on un objet ? source lumière émise objet (pomme) lumière diffusée vers l'œil œil Sans lumière qui arrive sur l'objet, rien ne peut en repartir : impossible de le voir.
Figure 5 — La lampe éclaire la pomme (lumière émise) ; la pomme diffuse à son tour de la lumière dans toutes les directions, dont une partie entre dans l'œil.
Exemple — un livre fermé dans un tiroir

Un livre existe toujours dans un tiroir fermé, mais tu ne peux pas le voir : aucune lumière n'arrive jusqu'à lui, donc il ne peut rien diffuser vers ton œil. Ouvre le tiroir sous une lampe allumée : la lumière atteint le livre, il la diffuse, et tu le vois enfin.

Exemple — la salle de classe la nuit

La nuit, sans lampe allumée, tous les objets de la salle (tableau, bureau, cahiers) sont toujours là, mais aucun n'est visible : ce sont des objets diffusants, ils ont besoin d'une source primaire. Dès qu'on allume la lumière, ils redeviennent visibles instantanément (à notre échelle).

Physique & Co — le savant qui a percé le secret de la vision

Dans l'Antiquité, de nombreux savants grecs pensaient que l'œil envoyait lui-même des rayons vers les objets pour les « toucher » et les voir — un peu comme le radar imaginé (à tort !) par certains élèves aujourd'hui. Il faudra attendre le savant arabe Ibn al-Haytham (appelé Alhazen en Occident), né à Bassora vers 965, pour que ce modèle soit définitivement écarté.

Dans son Livre d'optique, rédigé au Caire vers 1021, il démontre par de nombreuses expériences que c'est bien la lumière qui voyage de l'objet vers l'œil, en ligne droite, et non l'inverse. Ce livre, traduit en latin, influencera toute l'optique européenne pendant des siècles, jusqu'à Kepler et Newton.

5.2  Milieux transparents, translucides, opaques

Définition
  • Un matériau transparent laisse passer la lumière presque sans la modifier : on voit nettement les objets à travers (vitre propre, eau claire, air).
  • Un matériau translucide laisse passer une partie de la lumière, mais la disperse dans toutes les directions : on devine une forme floue, sans détails (papier calque, verre dépoli, brouillard léger).
  • Un matériau opaque ne laisse passer aucune lumière : rien n'est visible derrière lui (mur, carton, métal, bois).
Que devient la lumière selon le matériau ? VERRE (transparent) CALQUE (translucide) CARTON (opaque) image NETTE image FLOUE AUCUNE image
Figure 6 — Le même faisceau de lumière traverse le verre sans se disperser, se disperse dans le calque, et s'arrête complètement dans le carton opaque.
Exemple — trier des matériaux

Vitre de fenêtre propre : transparente. Rideau de douche givré : translucide. Porte en bois plein : opaque. Eau claire de piscine : transparente. Brouillard épais : translucide (on ne distingue plus les détails au loin). Mur en béton : opaque.

Exemple — pourquoi une salle de bain a des vitres dépolies

Le verre dépoli (ou verre « givré ») d'une salle de bain est translucide : il laisse entrer la lumière du jour (on n'a donc pas besoin d'allumer la lampe), mais il empêche de distinguer les silhouettes avec précision, contrairement à une vitre transparente ordinaire.

Fiche mémo

  • Source primaire : fabrique sa propre lumière (Soleil, flamme, lampe allumée). Objet diffusant : renvoie la lumière reçue, sans en produire (Lune, mur, vêtement).
  • Propagation rectiligne : dans un milieu transparent et homogène, la lumière va toujours en ligne droite.
  • Expérience des écrans percés : 3 trous alignés avec la source → la lumière passe ; un seul décalé → elle est arrêtée.
  • Rayon lumineux : trait fin + flèche indiquant le sens de propagation (modèle, pas visible en vrai).
  • Faisceau : ensemble de rayons — divergent (lampe), parallèle (laser, Soleil), convergent (après une loupe).
  • Vitesse de la lumière dans l'air ou le vide : v≈300 000v \approx 300\,000 km/s. Grande mais pas infinie.
  • d=v×td = v \times t ; Terre-Lune : ≈1,3\approx 1{,}3 s ; Terre-Soleil : ≈8\approx 8 min 2020 s.
  • On voit un objet quand de la lumière qui en vient entre dans l'œil — jamais l'inverse : l'œil ne fait que recevoir.
  • Transparent : image nette à travers. Translucide : image floue. Opaque : aucune image, ombre portée.
  • Danger : ne jamais regarder le Soleil, ne jamais diriger un laser vers un œil.

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Classe ces objets en deux colonnes, « source primaire » et « objet diffusant » : une étoile filante, un panneau de signalisation, la flamme d'une allumette, une chaussette blanche, un écran de cinéma pendant la projection, un miroir, un ver luisant, la planète Mars.

Voir le corrigé détaillé

Sources primaires : une étoile filante (elle brûle en entrant dans l'atmosphère), la flamme d'une allumette, un ver luisant.

Objets diffusants : un panneau de signalisation, une chaussette blanche, un écran de cinéma (il diffuse la lumière du projecteur), un miroir, la planète Mars (elle ne fait que renvoyer la lumière du Soleil).

2

Vrai ou faux ? Justifie chaque réponse en une phrase. a. La Lune fabrique sa propre lumière. b. La lumière va toujours en ligne droite dans l'air. c. Un rayon lumineux se voit à l'œil nu dans le vide. d. On voit un objet parce que l'œil envoie de la lumière vers lui. e. La vitesse de la lumière est infinie.

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a. Faux. La Lune est un objet diffusant : elle renvoie la lumière du Soleil.

b. Vrai. Dans un milieu transparent et homogène comme l'air, la propagation est rectiligne.

c. Faux. Le rayon lumineux est un modèle ; sans poussière ni fumée pour diffuser un peu de lumière, on ne voit pas le trajet lui-même.

d. Faux. C'est l'inverse : la lumière va de l'objet vers l'œil, qui ne fait que la recevoir.

e. Faux. Elle est très grande (300 000300\,000 km/s) mais finie : elle met un temps mesurable sur de grandes distances.

3

Associe chaque mot à sa définition : 1. rayon lumineux 2. faisceau divergent 3. milieu opaque 4. objet diffusant — a. ne laisse passer aucune lumière b. renvoie la lumière reçue sans en produire c. trait fin avec une flèche, modèle du trajet de la lumière d. rayons qui s'écartent les uns des autres.

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1→c1 \to c ; 2→d2 \to d ; 3→a3 \to a ; 4→b4 \to b.

4

Une lampe de bureau (point A) éclaire une gomme posée sur la table (point B). Décris en une phrase comment schématiser le rayon lumineux entre A et B, puis précise ce que représente la flèche.

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On trace un trait fin reliant le point A (la lampe) au point B (la gomme), terminé côté B par une flèche. La flèche indique le sens de propagation de la lumière : elle part toujours de la source (A) vers l'objet éclairé (B), jamais l'inverse.

5

La distance entre deux villes reliées par une fibre optique (qui transporte de la lumière) est d=900 000d = 900\,000 km. Calcule la durée du trajet de la lumière, sachant que v≈300 000v \approx 300\,000 km/s.

Voir le corrigé détaillé
  1. t=dvt = \dfrac{d}{v}
  2. ==900 000300 000\dfrac{900\,000}{300\,000}
  3. ==33 s
6

Classe ces matériaux en transparent, translucide ou opaque : eau de mer claire, feuille d'aluminium, brouillard épais, vitre de voiture propre, mur en briques, abat-jour en tissu fin.

Voir le corrigé détaillé

Transparents : eau de mer claire, vitre de voiture propre. Translucides : brouillard épais, abat-jour en tissu fin. Opaques : feuille d'aluminium, mur en briques.

Niveau 2 — Approfondissement
7

Dans l'expérience des trois écrans percés, Aminata aligne les écrans 1 et 3 avec la lampe, mais décale légèrement l'écran 2 vers le haut. Explique ce qu'elle observe à travers le trou de l'écran 3, et pourquoi.

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Aminata ne verra rien à travers le trou de l'écran 3. Le rayon issu de la lampe suit un unique trajet rectiligne, qui passe par le trou de l'écran 1. Comme le trou de l'écran 2 a été décalé, ce trajet rectiligne rencontre le carton plein de l'écran 2, et non son trou : la lumière est arrêtée à cet endroit. Aucune lumière n'atteint donc l'écran 3, ni l'œil d'Aminata, même si le trou de l'écran 3 est parfaitement bien placé.

8

La distance moyenne Terre-Jupiter vaut d≈778 000 000d \approx 778\,000\,000 km. Calcule la durée du trajet de la lumière entre Jupiter et la Terre, en secondes puis en minutes (arrondis à la minute).

Voir le corrigé détaillé
  1. t=dvt = \dfrac{d}{v}
  2. ==778 000 000300 000\dfrac{778\,000\,000}{300\,000}
  3. ≈\approx2 5932\,593 s
  4. ==2 593÷602\,593 \div 60
  5. ≈\approx4343 min

Quand une sonde spatiale envoie une image depuis Jupiter, il faut donc attendre environ 43 minutes pour la recevoir sur Terre !

9

Un faisceau laser rouge traverse d'abord une vitre transparente, puis rencontre un mur en béton. Décris ce qui se passe à chaque étape, et où se trouve la « tache » lumineuse finale.

Voir le corrigé détaillé

La vitre est transparente : le faisceau laser la traverse presque sans être modifié, en ligne droite. Il poursuit ensuite son trajet rectiligne dans l'air jusqu'au mur. Le béton est opaque : aucune lumière ne le traverse. Le faisceau s'arrête donc sur la surface du mur, où l'on observe un petit point lumineux rouge, résultat de la lumière diffusée par cette surface à l'endroit précis où le rayon rectiligne l'a atteinte.

10

À midi, l'ombre d'un poteau est très courte. En fin d'après-midi, l'ombre du même poteau est beaucoup plus longue. Explique ce changement à l'aide de la propagation rectiligne de la lumière.

Voir le corrigé détaillé

Le Soleil envoie des rayons quasiment parallèles, mais leur direction par rapport au sol change au cours de la journée : à midi, le Soleil est haut, les rayons arrivent presque à la verticale, l'ombre (prolongement rectiligne des rayons bloqués par le poteau) est donc courte. En fin d'après-midi, le Soleil est bas sur l'horizon, les rayons arrivent presque à l'horizontale : leur prolongement rectiligne touche le sol beaucoup plus loin, l'ombre est donc longue.

Niveau 3 — Défi
11

Lors d'une éclipse de Lune, la Terre passe exactement entre le Soleil et la Lune.

  1. Rappelle pourquoi la Lune est habituellement visible la nuit.
  2. Explique, à l'aide de la propagation rectiligne de la lumière, pourquoi la Lune s'assombrit fortement pendant une éclipse.
  3. Le phénomène pourrait-il se produire si la lumière ne se propageait pas en ligne droite ? Justifie.
Voir le corrigé détaillé

1. La Lune est un objet diffusant : elle est visible parce qu'elle renvoie vers la Terre une partie de la lumière qu'elle reçoit du Soleil.

2. Les rayons du Soleil se propagent en ligne droite. Quand la Terre se place exactement sur le trajet rectiligne entre le Soleil et la Lune, elle bloque une grande partie de ces rayons : la Terre forme une ombre, et la Lune, qui ne reçoit alors presque plus de lumière solaire directe, n'a presque plus rien à diffuser. Elle s'assombrit fortement.

3. Non, ou en tout cas pas de la même façon : si la lumière pouvait contourner un obstacle, la Terre ne pourrait pas bloquer efficacement les rayons destinés à la Lune, et l'éclipse ne serait pas aussi nette. C'est justement parce que la lumière va tout droit qu'un obstacle rond comme la Terre crée une ombre bien délimitée.

12

Pour mesurer la hauteur d'un baobab sans grimper, on plante à côté, au même moment, un piquet vertical de hauteur h1=1,20h_1 = 1{,}20 m. Son ombre mesure L1=0,80L_1 = 0{,}80 m. Au même instant, l'ombre du baobab mesure L2=6,40L_2 = 6{,}40 m.

  1. Pourquoi peut-on comparer les deux ombres, sachant qu'elles ne sont pas mesurées exactement au même endroit ?
  2. Calcule la hauteur HH du baobab, en supposant que le rapport hauteur/ombre est le même pour le piquet et pour l'arbre.
Voir le corrigé détaillé
Rayons du Soleil quasi parallèles (schéma, pas à l'échelle) h₁1,20 m L₁ = 0,80 m H = ? L₂ = 6,40 m
Figure 7 — Au même instant, le piquet et le baobab reçoivent des rayons de Soleil parallèles : le rapport hauteur/ombre est donc identique pour les deux.

1. Au même instant, les rayons du Soleil arrivent avec la même inclinaison partout dans la région (ils sont quasiment parallèles, vu la distance énorme du Soleil). Le piquet et le baobab, tous deux verticaux, projettent donc des ombres dans le même rapport hauteur/longueur d'ombre.

2. On pose l'égalité des rapports hauteur/ombre :

  1. HL2=h1L1\dfrac{H}{L_2} = \dfrac{h_1}{L_1}
  2. ⇒\RightarrowH=h1×L2L1H = \dfrac{h_1 \times L_2}{L_1}
  3. ==1,20×6,400,80\dfrac{1{,}20 \times 6{,}40}{0{,}80}
  4. ==7,680,80\dfrac{7{,}68}{0{,}80}
  5. ==9,69{,}6 m

Le baobab mesure environ 9,6 m de haut.

13

Dans une pièce totalement noire (aucune source primaire allumée), un grand miroir est accroché au mur.

  1. Peut-on voir le miroir ? Justifie avec le vocabulaire du chapitre.
  2. On allume une lampe dans la pièce voisine, dont la porte reste fermée. Peut-on voir le miroir ? Justifie.
  3. On ouvre la porte de la pièce voisine. Que se passe-t-il, et pourquoi ?
Voir le corrigé détaillé

1. Non. Un miroir est un objet diffusant (il ne fabrique pas sa propre lumière) : sans aucune source primaire allumée, aucune lumière n'arrive sur lui, donc il ne peut rien renvoyer vers l'œil. Il est invisible, même s'il est bien accroché au mur.

2. Non plus. La porte fermée est un obstacle opaque : elle empêche la lumière de la pièce voisine de se propager en ligne droite jusqu'au miroir. La situation est la même que si aucune lampe n'était allumée nulle part.

3. Dès que la porte s'ouvre, un trajet rectiligne dégagé existe entre la lampe et le miroir : la lumière peut atteindre le miroir, qui la renvoie alors dans la pièce, y compris vers l'œil de l'observateur. Le miroir redevient visible, et il redevient même possible d'y voir le reflet d'objets éclairés.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
14

Le pêcheur de Dakar. Moussa, pêcheur à Dakar, hésite entre une lampe torche à faisceau divergent à 4 5004\,500 F CFA et une lampe à faisceau parallèle (focalisable) à 7 0007\,000 F CFA pour repérer les poissons la nuit à la surface de l'eau, loin du bateau.

  1. Rappelle la différence entre un faisceau divergent et un faisceau parallèle.
  2. Quel type de faisceau permet d'éclairer efficacement un point précis, loin devant le bateau ? Pourquoi ?
  3. Moussa achète 2 lampes à faisceau parallèle pour lui et son fils. Calcule la dépense totale.
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1. Dans un faisceau divergent, les rayons s'écartent les uns des autres en s'éloignant de la source : la tache de lumière grandit, mais s'affaiblit, avec la distance. Dans un faisceau parallèle, les rayons restent à égale distance : la lumière reste concentrée, même loin.

2. Le faisceau parallèle est plus efficace pour éclairer un point précis loin du bateau : contrairement au faisceau divergent, il ne s'étale pas et conserve son intensité sur une plus longue distance.

  1. dépense =2×7 000= 2 \times 7\,000
  2. ==14 00014\,000 F CFA
15

Le marché de Ndjamena. Sur un étal de Ndjamena, Fatimé hésite entre des lunettes de soleil sans indication de protection à 1 5001\,500 F CFA, et des lunettes certifiées « anti-UV » à 5 0005\,000 F CFA.

  1. Pourquoi ne faut-il jamais regarder directement le Soleil, même avec des lunettes de soleil ordinaires ?
  2. Quelle paire Fatimé doit-elle choisir pour protéger réellement ses yeux, et pourquoi ?
  3. Elle achète 3 paires certifiées pour toute sa famille. Calcule le prix total, puis la remise obtenue si le vendeur applique 10 % de réduction sur ce total.
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1. Le Soleil envoie un faisceau lumineux extrêmement puissant. Des lunettes ordinaires assombrissent la vue et donnent une fausse impression de confort, mais ne filtrent pas forcément les rayons dangereux : l'œil, moins ébloui, reste exposé à un rayonnement qui peut brûler la rétine.

2. Fatimé doit choisir les lunettes certifiées anti-UV : seule une protection certifiée garantit que les rayons dangereux sont réellement filtrés, et non simplement assombris.

  1. prix total =3×5 000= 3 \times 5\,000
  2. ==15 00015\,000 F CFA
  3. remise =15 000×10100= 15\,000 \times \dfrac{10}{100}
  4. ==1 5001\,500 F CFA

Fatimé économise 1 500 F CFA grâce à la remise.

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Le chantier d'Abidjan. Sur un chantier à Abidjan, une équipe utilise un laser de nivellement (faisceau parallèle rouge) coûtant 65 00065\,000 F CFA pour vérifier que le sol est parfaitement horizontal sur une distance rectiligne de 40 m.

  1. Explique pourquoi la propagation rectiligne de la lumière rend ce laser utile pour vérifier l'horizontalité du sol sur 40 m.
  2. Cite une règle de sécurité indispensable pour les ouvriers présents sur le chantier.
  3. L'entreprise possède déjà 2 lasers identiques et en achète 3 de plus. Calcule le coût total du nouvel achat, puis le nombre total de lasers possédés.
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1. Comme la lumière se propage en ligne droite, le faisceau du laser dessine un trait parfaitement rectiligne sur toute la distance. En comparant la hauteur de ce trait à différents points du sol sur 40 m, les ouvriers savent immédiatement si le sol s'écarte de l'horizontale, sans avoir à tendre un cordeau sur toute la longueur.

2. Il ne faut jamais diriger le faisceau laser vers les yeux d'un ouvrier, même accidentellement, car il peut endommager la rétine de façon irréversible ; on signale la zone et on porte des lunettes de protection adaptées si demandé par le fabricant.

  1. coût du nouvel achat =3×65 000= 3 \times 65\,000
  2. ==195 000195\,000 F CFA
  3. nombre total de lasers =2+3= 2 + 3
  4. ==55 lasers

📝 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'est-ce qu'une source primaire ?

Explication : Une source primaire produit sa propre lumière : le Soleil, une flamme, une lampe allumée. On la voit même dans le noir complet.

Qu'est-ce qu'un objet diffusant ?

Explication : Un objet diffusant (un mur, un vêtement, la Lune) renvoie, dans toutes les directions, une partie de la lumière qu'il reçoit d'une source primaire.

La Lune, qu'on voit briller la nuit dans le ciel...

Explication : C'est le piège le plus fréquent en 6ᵉ ! La Lune est un objet diffusant : elle renvoie vers la Terre une partie de la lumière qu'elle reçoit du Soleil. Si le Soleil s'éteignait, la Lune deviendrait noire.

Dans un milieu transparent et homogène, comme l'air d'une salle de classe, la lumière se propage :

Explication : C'est la propagation rectiligne de la lumière : rien ne la fait dévier tant que le milieu reste le même.

Dans l'expérience des trois écrans percés alignés avec une lampe, que se passe-t-il si on décale légèrement l'un des écrans ?

Explication : Le trajet rectiligne de la lumière rencontre alors le carton plein de l'écran décalé, et non son trou : la lumière ne peut ni tourner ni contourner l'obstacle, elle s'arrête net.

Comment schématise-t-on un rayon lumineux ?

Explication : Le rayon lumineux est un modèle : un trait fin avec une flèche qui va de la source vers l'objet éclairé. On ne le voit pas réellement dans l'air (sauf poussière).

Une lampe de poche envoie des rayons qui s'écartent les uns des autres en s'éloignant de la source. On dit que son faisceau est :

Explication : Un faisceau divergent s'écarte : la tache de lumière grandit, mais s'affaiblit, en s'éloignant de la source.

Un pointeur laser envoie des rayons qui restent à égale distance les uns des autres, même loin. On dit que son faisceau est :

Explication : Un faisceau parallèle (laser, ou rayons du Soleil vus depuis la Terre) reste concentré même sur une grande distance, contrairement à un faisceau divergent.

Quelle règle de sécurité faut-il TOUJOURS respecter avec un pointeur laser ?

Explication : Un laser concentre beaucoup d'énergie sur une toute petite surface : dirigé dans un œil, il peut brûler la rétine en une fraction de seconde, sans douleur ressentie.

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

Explication : La lumière parcourt environ 300 000 km en une seconde, soit plus de sept fois le tour de la Terre.

Une fibre optique relie deux villes distantes de d=900 000 kmd = 900\,000\ \text{km}. Avec v≈300 000 km/sv \approx 300\,000\ \text{km/s}, combien de temps met la lumière pour parcourir cette distance ?

Explication : On calcule :
t=dv=900 000300 000t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{900\,000}{300\,000}
=3 s= 3\ \text{s}.

La distance moyenne Terre-Soleil vaut environ 150 000 000 km150\,000\,000\ \text{km}. Combien de temps met la lumière du Soleil pour atteindre la Terre ?

Explication : On calcule :
t=150 000 000300 000=500 st = \dfrac{150\,000\,000}{300\,000} = 500\ \text{s}
500 s=8 min 20 s500\ \text{s} = 8\ \text{min}\ 20\ \text{s}.

On voit un objet lorsque :

Explication : L'œil ne fait que recevoir de la lumière, il n'en émet jamais. La lumière voyage toujours de l'objet vers l'œil, jamais l'inverse.

Un matériau transparent, comme une vitre propre, laisse passer la lumière :

Explication : Un matériau transparent laisse passer la lumière presque sans la modifier : on distingue nettement les objets à travers.

Un matériau translucide, comme du papier calque, laisse passer une partie de la lumière mais :

Explication : À travers un matériau translucide, on devine une forme floue, sans détails précis, contrairement à un matériau transparent.

Un matériau opaque, comme un mur en béton, laisse passer :

Explication : Un matériau opaque ne laisse passer aucune lumière : rien n'est visible derrière lui, et il projette une ombre portée nette.

Une vitre de fenêtre bien propre est un matériau :

Explication : Une vitre propre laisse passer la lumière presque sans la modifier : on voit nettement à travers, c'est un matériau transparent.

Un mur en béton bien épais est un matériau :

Explication : Aucune lumière ne traverse un mur en béton : c'est un matériau opaque, rien n'est visible derrière lui.

Dans un couloir bien droit, tu vois la sortie éclairée au fond. Le couloir fait un coude à angle droit : peux-tu encore voir la sortie depuis avant le coude ?

Explication : La lumière ne contourne jamais les obstacles : comme elle se propage en ligne droite, la lumière de la sortie ne peut pas « tourner le coin » avant que tu aies toi-même tourné.

Peut-on dire que la lumière se propage « instantanément », sans aucun délai ?

Explication : La lumière a une vitesse très grande (environ 300 000 km/s) mais finie. Sur les petites distances de la vie courante, le retard est trop court pour être perçu, mais sur de grandes distances (Soleil, planètes), il devient mesurable.
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