Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
28La lumière se propage en ligne droite
Des rayons de soleil traversent en biais la brume du matin entre les arbres — droits comme des ficelles tendues, tous sans exception. Une lampe de poche dans un grenier poussiéreux découpe une lame de lumière aux bords rectilignes. Tu peux entendre un camarade qui t’appelle au coin de la rue, mais tu ne peux pas le voir là-bas. Tout cela n’est qu’une seule loi vêtue de plusieurs costumes — la plus vieille loi de la lumière.
28.1 La loi de la ligne droite
Proposition 28.1 (La lumière se propage en ligne droite)
Dans l’air (comme dans l’eau, dans le verre ou dans le vide), la lumière se propage en ligne droite. Elle ne contourne pas les coins, ne dérive pas comme la fumée, ne se courbe pas pour te trouver derrière un mur. Là où une ligne droite venue de la source ne peut pas arriver, aucune lumière de cette source n’arrive.
Définition 28.2 (Rayon lumineux)
Pour dessiner la lumière, les physiciens utilisent le rayon lumineux : une ligne droite fléchée, qui représente un fil de lumière et le sens dans lequel il court. Un faisceau de lampe de poche se dessine comme un éventail de rayons ; un fin faisceau laser, comme un rayon unique. Comme la flèche d’une force, le rayon est un petit dessin qui porte une loi à l’intérieur : les routes de la lumière sont droites comme des règles.
Exemple 28.3 (Où la loi se montre)
Une fois la loi connue, tu la vois partout : les rayons de soleil rectilignes dans la brume ou entre les lamelles d’un store ; le bord net et droit d’un faisceau de lampe de poche dans l’air poussiéreux ; le fil parfaitement droit d’un pointeur laser ; et tous les phares qui balaient la mer nocturne de lames de lumière droites. On ne voit jamais de lumière courbée — les fontaines et les forêts peuvent serpenter, la lumière non.
28.2 La preuve par trois cartons
Méthode 28.4 (L’expérience des trois cartons)
- Percer un petit trou au milieu de trois cartons rigides, à la même hauteur ;
- dresser les cartons en file, à un empan les uns des autres, avec une bougie allumée (ou une lampe de poche) au-delà du dernier ;
- bouger la tête jusqu’à voir la flamme à travers les trois trous — ce n’est possible que lorsque les trois trous et la flamme sont sur une même ligne droite (vérification : une ficelle tendue passant par les trous atteint la flamme) ;
- faire maintenant glisser le carton du milieu sur le côté, d’une largeur de doigt à peine.
La flamme disparaît. La lumière qui aurait pu zigzaguer — par le premier trou, un écart de côté, le trou déplacé, puis ton œil — ne le fait tout simplement pas : pas de ligne droite, pas de lumière.
Exemple 28.5 (Les ombres expliquées pour de bon)
L’ombre de ta première année d’école livre maintenant son secret. Les rayons partent tout droit de la lampe ; le ballon arrête ceux qui le frappent ; ceux qui frôlent son bord continuent tout droit. Derrière le ballon se trouve exactement l’espace qu’aucun rayon droit ne peut atteindre — l’ombre, avec son bord net tracé par les derniers rayons qui se sont faufilés. Rayons droits, ombres nettes : une lumière tordue étalerait chaque ombre en brouillard.
28.3 Voir, c’est recevoir de la lumière
Proposition 28.6 (Comment fonctionne la vue)
Tu vois un objet quand la lumière venue de lui voyage en ligne droite jusque dans ton œil — sa propre lumière s’il est une source, sinon la lumière du Soleil ou d’une lampe qu’il renvoie. Rien ne sort de ton œil pour attraper le monde : voir, c’est recevoir, attraper des rayons comme un filet attrape des balles.
Exemple 28.7 (Au coin de la rue)
Ton camarade t’appelle du coin de l’école : tu l’entends, mais tu ne peux pas le voir. Le son s’étale comme les ronds d’un étang et contourne l’angle ; la lumière garde ses routes droites, et aucune ligne droite ne relie le visage de ton camarade à ton œil à travers la brique. Pour voir au coin d’une rue, il faut plier la route — offrir au rayon une surface dure et brillante sur laquelle rebondir. Ce tour s’appelle le miroir, et il possède le premier chapitre de lumière de l’an prochain.
Remarque 28.8 (Le coureur champion)
Le son, nous l’avons mesuré, trottine à par seconde. La lumière, sur ses routes droites, joue dans une tout autre catégorie : elle traverse le ciel entier plus vite qu’aucun comptage ne peut le saisir — voilà pourquoi l’éclair arrive « d’un coup » et le tonnerre traîne quelques secondes derrière. À quelle vitesse exactement ? Le nombre est si extravagant que nous le gardons pour une année plus avancée — avec le récit des ruses qu’il a fallu pour le mesurer.
28.4 Exercices
Exercice 28.1 ★
Énonce la loi de ce chapitre. Cite deux endroits où on peut la voir dehors.
Solution
Solution de Exercice 28.1.
La lumière se propage en ligne droite — elle ne contourne jamais les coins. Où la voir : les rayons de soleil rectilignes dans la brume ou à travers un store, la lame nette d’une lampe de poche dans l’air poussiéreux, le fil parfaitement droit d’un laser, les faisceaux des phares.
Exercice 28.2 ★
Qu’est-ce qu’un rayon lumineux, et quelles deux choses son dessin montre-t-il ?
Exercice 28.3 ★
Dans l’expérience des trois cartons, quand peut-on voir la flamme, exactement ? Quel seul geste la fait disparaître, et pourquoi ?
Exercice 28.4 ★
Comment la loi de la ligne droite explique-t-elle le bord net d’une ombre ?
Solution
Solution de Exercice 28.4.
Les rayons partent tout droit de la lampe ; l’obstacle en arrête une partie, et ceux qui frôlent son bord continuent tout droit. La frontière entre le sol atteint et le sol non atteint est tracée par des lignes droites — d’où le bord net.
Exercice 28.5 ★
Tu vois ce livre en ce moment même. Raconte le voyage de la lumière qui rend cela possible, d’une lampe jusqu’à ton œil.
Solution
Solution de Exercice 28.5.
La lumière quitte la lampe, court tout droit jusqu’à la page, rebondit sur le papier, et court tout droit de la page jusque dans ton œil, qui la reçoit. Deux trajets rectilignes, avec un rebond entre les deux.
Exercice 28.6 ★
Pourquoi peux-tu entendre un camarade au coin de la rue sans le voir ? Que fait chaque voyageur — le son et la lumière — au coin ?
Exercice 28.7 ★
Un trou de serrure, une pièce éclairée au-delà, et ton œil : depuis quels endroits du couloir sombre peux-tu voir la lampe par le trou de serrure ? Réponds avec une ligne droite.
Solution
Solution de Exercice 28.7.
Seulement depuis les endroits où une ligne droite passant par le trou de serrure atteint la lampe — œil, trou et lampe alignés. Écarte-toi, et la ligne se brise sur la porte.
Exercice 28.8 ★
D’un feu d’artifice lointain, qu’est-ce qui arrive en premier, la détonation ou l’éclat ? Quelle loi et quelle mesure de cette année expliquent l’écart ?
Solution
Solution de Exercice 28.8.
L’éclat : le trajet de la lumière compte pour instantané, tandis que la détonation traverse à par seconde — trois secondes de silence par kilomètre de distance.
Exercice 28.9 ★
« Quand je regarde une étoile, quelque chose jaillit de mon œil pour la toucher. » Corrige cette vieille croyance avec Proposition 28.6 — qu’est-ce qui voyage, et dans quel sens ?
Exercice 28.10 ★★
Imagine, avec un dessin de rayons, un moyen de surveiller le couloir depuis l’intérieur de ta chambre grâce au tour du miroir annoncé dans Exemple 28.7 : où la surface brillante doit-elle se tenir dans l’embrasure de la porte, et que fait-elle à la route du rayon ? (Les sous-marins utilisent exactement cela, empilé deux fois, pour voir au-dessus des vagues.)
Solution
Solution de Exercice 28.10.
Placer la surface brillante dans l’embrasure de la porte, inclinée en biais (à un demi-angle droit) par rapport au couloir. Un rayon qui court le long du couloir frappe le miroir incliné et sa route se plie : il tourne le coin et file tout droit par l’embrasure jusque dans la pièce, jusqu’à ton œil. Deux plis de ce genre, l’un au-dessus de l’autre, font le périscope du sous-marin.
Exercice 28.11 ★★
Un matin de brume, les rayons de soleil s’ouvrent en éventail entre les arbres, en lignes visiblement droites — et pourtant ton camarade dit : « On voit les faisceaux, donc la lumière doit être une matière visible suspendue dans l’air. » Que voyez-vous réellement tous les deux quand un « faisceau » se dessine dans la brume ou la poussière, et à quoi ressemblerait le faisceau dans un air parfaitement propre ?
Solution
Solution de Exercice 28.11.
Vous ne voyez pas la lumière en vol — vous voyez les innombrables gouttelettes et poussières que le faisceau frappe en chemin, chacune renvoyant un peu de lumière vers votre œil. Dans un air parfaitement propre, il n’y a rien à frapper, et le faisceau est invisible de côté : seule la tache brillante là où il aboutit le trahit.