Fiche de révision : Lumière, spectres et réfraction

📋 Plan du Cours

1. Dispersion et composition de la lumière
2. Longueurs d’onde et spectres
3. Spectres des sources lumineuses
4. Température et rayonnement thermique
5. Mesure de la vitesse de la lumière
6. Propagation et célérité de la lumière
7. Définition de la réfraction
8. Lois de Snell-Descartes
9. Dispersion par les milieux dispersifs
10. Applications de la lumière

📖 1. Dispersion et composition de la lumière

🔑 Notions clés & Définitions

• Dispersion de la lumière : Sa décomposition en différentes radiations lumineuses par un prisme ou un réseau.

★ À maîtriser

📌 Une lumière monochromatique est composée d’une seule radiation, tandis qu’une lumière polychromatique est composée de plusieurs radiations.

• La lumière blanche est une lumière polychromatique composée d’une infinité de radiations colorées.

Compléments

• Un laser n’est pas dispersé par un prisme et subit seulement une déviation.

💡 Astuce mémo

Monochromatique = une radiation ; polychromatique = plusieurs radiations

📖 2. Longueurs d’onde et spectres

🔑 Notions clés & Définitions

• Longueur d’onde : Caractérise une radiation lumineuse et s’exprime généralement en nanomètres.
• Spectre : La figure obtenue par la décomposition d’une lumière par un prisme ou un réseau.

📝 Points essentiels

• Le domaine visible s’étend de 400 nm, correspondant au violet, à 800 nm, correspondant au rouge.

📌 Les ultraviolets ont une longueur d’onde inférieure à 400 nm, tandis que les infrarouges ont une longueur d’onde supérieure à 800 nm.

💡 Astuce mémo

Violet 400 nm → visible → rouge 800 nm

📖 3. Spectres des sources lumineuses

★ À maîtriser

📌 Un spectre continu présente un fond coloré sans interruption, tandis qu’un spectre de raies présente des raies colorées séparées sur un fond noir.

📌 Un spectre continu est produit par la lumière d’un corps chaud, tandis qu’un spectre de raies est produit par des atomes ou des ions excités.

• Le spectre de raies d’un atome ou d’un ion constitue sa signature et permet d’identifier sa présence.

Compléments

• La lampe à vapeur de mercure présente des raies lumineuses aux longueurs d’onde:
  • 407 nm
  • 434 nm
  • 546 nm
  • 577 nm
  • 579 nm

💡 Astuce mémo

Corps chaud : fond continu ; gaz excité : raies sur fond noir

📖 4. Température et rayonnement thermique

★ À maîtriser

📌 Pour l’acier chauffé, la couleur passe du rouge sombre vers 550 °C au jaune puis au blanc lorsque la température dépasse généralement 1 000 °C.

• La couleur apparente d’une étoile dépend de sa température de surface:
  • 3 000 °C correspondent au rouge
  • 6 000 °C au jaune-orangé
  • 10 000 °C au blanc
  • 20 000 °C au bleu

📌 L’étendue du spectre vers le violet et la longueur d’onde de la radiation la plus lumineuse dépendent de la température du corps chauffé.

Compléments

• Une caméra infrarouge permet de mesurer la température d’une lave inaccessible aux sondes thermiques ; le 20 avril 2018, la température mesurée au Piton de la Fournaise était de 1 000 °C.

💡 Astuce mémo

Température augmente → spectre plus étendu et couleur plus claire

📖 5. Mesure de la vitesse de la lumière

★ À maîtriser

• En 1849, Hippolyte Fizeau mesure une durée moyenne de 55 µs pour l’aller-retour de la lumière entre le mont Valérien et Montmartre.

📐 Formule — La valeur exacte de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est $c = 299792458\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}$, soit environ $c = 3{,}00 \times 10^8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}$.

Compléments

• Galilée n’a pas réussi à mesurer la vitesse de la lumière avec deux lanternes, car le délai lumineux était trop court pour être observé avec les moyens de son époque.

💡 Astuce mémo

Galilée tente → Fizeau mesure → valeur précise

📖 6. Propagation et célérité de la lumière

📝 Points essentiels

📌 Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite.

📐 Formule — La vitesse de la lumière dans l’air et dans le vide est approximativement $c = 3{,}00 \times 10^8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}$.

• Lors d’un orage, l’éclair est perçu avant le tonnerre parce que la lumière se propage beaucoup plus vite que le son dans l’air.

💡 Astuce mémo

Lumière très rapide, son beaucoup plus lent

📖 7. Définition de la réfraction

🔑 Notions clés & Définitions

• Réfraction de la lumière : Le changement de direction d’un rayon lumineux lorsqu’il passe d’un milieu homogène à un autre.
• Rayon incident : Le rayon lumineux situé avant la surface de séparation entre deux milieux.
• Normale : La droite perpendiculaire à la surface de séparation au point d’incidence.

💡 Astuce mémo

Un rayon lumineux se casse en franchissant la surface entre l’air et l’eau

📖 8. Lois de Snell-Descartes

🔑 Notions clés & Définitions

• Indice de réfraction : Une grandeur sans unité définie par $n = \frac{c}{v}$.

★ À maîtriser

📐 Formule — La loi de la réflexion relie l’angle d’incidence et l’angle de réflexion par $i_1 = i_R$.

📐 Formule — La loi de Snell-Descartes pour la réfraction s’écrit $n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2$, où n₁ et n₂ sont les indices des deux milieux. — Snell et Descartes

Compléments

• Les indices de réfraction donnés sont:
  • n_air = 1,00
  • n_eau = 1,33
  • n_plexi = 1,50

💡 Astuce mémo

Réflexion : même milieu ; réfraction : changement de milieu

📖 9. Dispersion par les milieux dispersifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Milieu dispersif : Un milieu de propagation dont l’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde de la radiation utilisée.

★ À maîtriser

📌 Dans un prisme, les radiations d’une lumière polychromatique sont déviées différemment parce que l’indice du milieu dépend de leur longueur d’onde.

• Dans un prisme, la radiation violette est plus déviée que la radiation rouge.

Compléments

• Un réseau de diffraction est constitué de fentes parallèles ou de rayures réfléchissantes, et les sillons d’un CD peuvent produire des irisations colorées.

💡 Astuce mémo

Indice dépend de λ → déviations différentes → spectre étalé

📖 10. Applications de la lumière

★ À maîtriser

• Un arc-en-ciel se forme lorsque les gouttes d’eau dispersent la lumière incidente, le rayon bleu étant plus dévié que le rayon rouge dans la goutte.

• La lumière d’une lampe à filament et celle d’une lampe à vapeur de sodium peuvent paraître jaunes à l’œil nu alors que leurs spectres sont respectivement continu et discontinu.

Compléments

• La lumière à vapeur de sodium est parfois considérée à tort comme monochromatique car elle contient deux radiations de longueurs d’onde très proches.

• Pour analyser une source, on la fait traverser un prisme ou un réseau, on observe son spectre, puis on repère les radiations et leurs longueurs d’onde.

💡 Astuce mémo

Prisme, réseau, arc-en-ciel : décomposer et identifier la lumière

📊 Tableaux de synthèse

Classification des spectres