Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
49Sources de lumière et propagation
Pourquoi peux-tu lire cette page ? Une lampe brille — mais la page n’est pas une lampe, et pourtant ton œil reçoit de la lumière de chaque ligne imprimée. Entre les objets qui fabriquent de la lumière et ceux qui se contentent de la transmettre se trouve une distinction dont l’optique ne peut pas se passer ; et avec elle vient la réponse complète à la plus vieille question de ce livre : que faut-il pour voir quelque chose ?
49.1 Fabricants et transmetteurs
Définition 49.1 (Sources primaires)
Une source primaire fabrique sa propre lumière : le Soleil et les étoiles, les flammes, les filaments incandescents, l’acier chauffé à blanc de la forge, les lucioles, les éclairs. Sa lumière existe que quoi que ce soit d’autre brille ou non — éteins le monde, une source primaire brille encore.
Définition 49.2 (Objets diffusants)
Tout autre objet visible est un objet diffusant : il reçoit de la lumière et en renvoie — il en diffuse — une partie dans toutes les directions. La page, la pomme, la Lune, ton propre visage : aucun ne fabrique la moindre lueur ; chacun disperse généreusement de tous côtés la lumière qu’il reçoit. Un objet diffusant, dans le noir, est tout simplement invisible.
Exemple 49.3 (Diffuser n’est pas réfléchir)
Les miroirs comme les pages renvoient la lumière reçue — mais avec des manières opposées. Le miroir la fait rebondir dans une direction disciplinée (angles égaux — ta vieille règle du rebond) en préservant l’image ; la rugosité microscopique de la page projette la lumière partout, ce qui détruit l’image mais l’offre à tous les yeux à la fois. Voilà pourquoi un miroir montre la lampe, alors que la page ne montre qu’elle-même, d’où que tu la regardes.
Exemple 49.4 (Le dossier de la Lune, clos)
Le verdict de l’enfance a maintenant ses mots officiels : la Lune n’est pas une source primaire ; c’est un objet diffusant de taille planétaire — de la roche grise qui disperse la lumière du Soleil dans toutes les directions, la nôtre comprise. Le clair de lune est donc du soleil de seconde main, et la « face sombre » est simplement la moitié dont le dossier ne contient, à cet instant, aucune lumière à transmettre.
49.2 La vision, réglée
Proposition 49.5 (Les deux conditions de la vision)
Un œil voit un objet exactement quand
- de la lumière quitte l’objet — fabriquée, si l’objet est une source primaire ; diffusée, s’il est un transmetteur — et que
- cette lumière voyage en ligne droite, sans obstacle, jusque dans l’œil.
Casse l’une ou l’autre condition — un objet diffusant non éclairé, ou un mur en travers de la ligne de vue — et l’objet n’est pas vu. Toutes les énigmes de visibilité de ce livre se ramènent à ces deux contrôles.
Exemple 49.6 (Le faisceau rendu visible)
Dans un air propre, un faisceau de lampe de poche qui traverse la pièce ne se voit pas de côté — l’air ne transmet presque rien, et aucune lumière du faisceau ne se tourne vers ton œil. Secoue un chiffon poussiéreux : le faisceau surgit. Chaque grain de poussière est un minuscule diffuseur qui attrape la lumière du faisceau et t’en disperse une part — des milliers de grains dessinant pour toi la ligne droite du faisceau. Le brouillard, la brume et la fumée rendent le même service aux faisceaux des phares et aux projecteurs de cinéma.
49.3 Trois habits pour la lumière
Définition 49.7 (Transparent, translucide, opaque)
Les matériaux rencontrent la lumière de trois manières :
- transparent : la lumière traverse presque sans être dérangée et garde son ordre — verre clair, eau immobile, air ; les images passent intactes ;
- translucide : la lumière traverse, mais brouillée — verre dépoli, papier calque, rideau léger ; la clarté passe, les images non ;
- opaque : la lumière est arrêtée — absorbée ou diffusée en arrière — bois, pierre, métal, ta main ; derrière un objet opaque s’étend une ombre.
Méthode 49.8 (Trier des matériaux à la lampe de poche)
Une pièce sombre, une lampe de poche, une page imprimée, et l’échantillon entre les deux :
- tenir l’échantillon au-dessus du texte, la lampe derrière lui ;
- on lit le texte à travers ? — transparent ;
- on voit une lueur mais aucune lettre ? — translucide ;
- on voit du noir, et une ombre au-delà ? — opaque.
Fais l’essai honnêtement : bien des matériaux changent d’équipe avec l’épaisseur — une couche d’eau est transparente, la mer profonde est noire comme la nuit ; une feuille de papier est translucide, le livre fermé est opaque.
Exemple 49.9 (Les trois équipes de l’architecture)
Les bâtisseurs déploient les trois à dessein. Le verre transparent des fenêtres : la vue et la lumière ensemble. Les vitres translucides des salles de bain et les cloisons dépolies des bureaux : la lumière du jour entre, l’intimité est préservée — la clarté sans les images, telle est exactement leur fiche de poste. Les murs et volets opaques : l’obscurité à la demande. Les abat-jour sont de la translucidité au service du confort : l’éblouissement du filament incandescent y est brouillé en une lueur douce et sans source apparente.
Remarque 49.10 (Rien à transmettre, rien à voir)
Devinette : une astronaute entre les étoiles regarde de côté un vide traversé de rayons solaires. Que voit-elle ? Du noir — alors que la lumière du Soleil inonde ses yeux en passant. L’espace ne porte pas de poussière digne de ce nom : rien ne diffuse vers elle la lumière qui passe, et une lumière qui n’entre pas dans l’œil ne peint rien. Le ciel du jour est bleu précisément parce que notre air, lui, transmet vers nous la lumière du Soleil — toute une planète de douce diffusion au-dessus de nos têtes. Pas d’air, ciel noir, même à midi : les astronautes de la Lune se tenaient en plein soleil sous une coupole noire et sans étoiles.
49.4 Exercices
Exercice 49.1 ★
Trie : la flamme d’une bougie ; la Lune ; une luciole ; cette page ; un feu rouge ; la planète Vénus au crépuscule.
Solution
Solution de Exercice 49.1.
Sources primaires : la flamme de la bougie, la luciole, le feu rouge. Objets diffusants : la Lune, cette page, Vénus — la planète brille par diffusion de la lumière du Soleil, aussi étoilée qu’elle paraisse.
Exercice 49.2 ★
Que fait un objet diffusant de la lumière qu’il reçoit — et que devient-il dans une pièce plongée dans le noir ?
Solution
Solution de Exercice 49.2.
Il renvoie une partie de la lumière reçue dans toutes les directions. Dans une pièce noire, il ne reçoit rien, ne transmet rien — et il est invisible.
Exercice 49.3 ★
Énonce les deux conditions de la vision, et sers-t’en : pourquoi ne peut-on pas voir la surface elle-même d’un miroir parfaitement propre, mais seulement les objets qu’il réfléchit ? (Attention — belle question ; réponds simplement : que refuse de faire son poli avec la lumière ?)
Solution
Solution de Exercice 49.3.
Il faut que de la lumière quitte l’objet vers l’œil. Un poli parfait refuse de diffuser : il renvoie la lumière dans une seule direction disciplinée, si bien qu’aucune lumière ne dit « voici la surface » à tous les points de vue — l’œil ne reçoit que les images redirigées d’autres objets.
Exercice 49.4 ★
Pourquoi tout le monde, autour de la table, voit-il la même pomme, alors qu’une seule position de l’œil, chanceuse, attrape le reflet de la lampe dans une cuillère ?
Solution
Solution de Exercice 49.4.
La pomme diffuse dans toutes les directions à la fois — chaque œil en reçoit sa part. Le poli de la cuillère envoie la lumière de la lampe dans une seule direction, et une seule position de l’œil se trouve sur cette unique route.
Exercice 49.5 ★
Pourquoi un faisceau de lampe de poche est-il invisible de côté dans un air propre, et visible dans la brume ? Nomme le phénomène.
Exercice 49.6 ★
Classe : le verre à vitre ; le papier calque ; une brique ; une faible épaisseur d’eau claire ; l’enveloppe d’une ampoule dépolie ; du papier d’aluminium.
Solution
Solution de Exercice 49.6.
Transparents : le verre à vitre, une faible épaisseur d’eau claire. Translucides : le papier calque, l’enveloppe dépolie. Opaques : la brique, le papier d’aluminium.
Exercice 49.7 ★
Quel métier fait la translucidité dans une fenêtre de salle de bain et dans un abat-jour ? Qu’est-ce qui passe, qu’est-ce qui est arrêté ?
Exercice 49.8 ★
La Lune est éclairée par le Soleil — et pourtant les astronautes lunaires voyaient un ciel noir à midi. Explique avec Remarque 49.10, et dis pourquoi le ciel de midi de la Terre est bleu vif à la place.
Solution
Solution de Exercice 49.8.
La Lune n’a pas d’air : rien, au-dessus des astronautes, ne diffusait vers leurs yeux la lumière du Soleil qui passait, et le ciel n’offrait donc rien à voir — noir à midi. L’air de la Terre transmet une part de la lumière du Soleil depuis toutes les directions du ciel : notre coupole d’un bleu vif est de la diffusion au-dessus de nos têtes.
Exercice 49.9 ★★
Une seule feuille de papier luit chaudement devant une lampe de poche ; le livre fermé arrête entièrement la lumière. Que fait l’épaisseur à l’appartenance d’un matériau à une équipe ? Donne un second exemple de matériau qui change d’équipe.
Solution
Solution de Exercice 49.9.
Chaque couche ajoutée brouille et dérobe un peu plus : les équipes dépendent de l’épaisseur. L’eau est le second exemple du chapitre — transparente à l’échelle du verre, opaque à l’échelle de l’océan. (Le papier fin est translucide, le livre fermé opaque.)
Exercice 49.10 ★★
Astuce de cinéma : les faisceaux des projecteurs sont invisibles dans une salle propre, et pourtant les films les montrent tranchant dramatiquement l’air. Que l’équipe de tournage doit-elle ajouter à l’air, et quelle physique achète-t-elle ainsi ?
Solution
Solution de Exercice 49.10.
Quelque chose que le faisceau puisse frapper : de la brume de scène ou de la fumée — des foules de minuscules diffuseurs qui attrapent la lumière du faisceau et en dispersent une part vers chaque siège. Ils achètent de la diffusion, la seule façon dont un œil placé de côté puisse jamais voir un faisceau.
Exercice 49.11 ★★
Tu vois le visage d’un camarade près d’un feu de camp. Retrace le voyage complet de la lumière — source, diffusion, lignes droites — et compte combien de diffuseurs se trouvent dans la chaîne si tu vois en outre ce visage réfléchi dans le lac.
Solution
Solution de Exercice 49.11.
Le feu (source primaire) ligne droite jusqu’au visage le visage diffuse ligne droite jusqu’à ton œil : un seul diffuseur dans la chaîne. Par le lac : la lumière diffusée par le visage voyage tout droit jusqu’à l’eau immobile, y rebondit à la manière du miroir (sans être diffusée — le lac est poli), et poursuit tout droit jusqu’à ton œil : toujours un seul diffuseur, plus un rebond de miroir — le visage, puis le pli discipliné du lac.
Exercice 49.12 ★★★
Le spectacle lumineux de la nature : par temps clair, le ciel loin du Soleil est bleu, le disque du Soleil d’un blanc aveuglant — et au coucher, le Soleil bas devient orange tandis que les nuages au-dessus se teintent de rose. En n’utilisant que « l’air diffuse un peu de la lumière qui le traverse, et d’autant plus que le trajet est long », explique pourquoi le soleil bas est dépouillé d’une partie de sa lumière — et qui reçoit la part dérobée. (L’histoire complète des couleurs sera le chapitre sur les spectres de l’an prochain ; raisonne ici uniquement avec plus-de-trajet, plus-de-diffusion.)
Solution
Solution de Exercice 49.12.
La lumière du Soleil qui traverse l’air perd une part par diffusion tout au long de son trajet — plus le trajet est long, plus le vol est grand. Au coucher, la lumière du Soleil rase l’atmosphère sur son plus long chemin : le faisceau direct t’atteint donc dépouillé et affaibli — c’est le disque orange apprivoisé. La part dérobée n’a pas disparu : elle a été diffusée en chemin, livrée à d’autres ciels comme leur lumière du jour — et une partie, diffusée tardivement, teinte les hauts nuages de rose. (Quelles couleurs sont dérobées les premières sera l’histoire de l’an prochain.)
49.5 Problème : éclairer le musée
Problème 49.1
Problème du week-end — la nouvelle salle des sculptures ; la nuit de travail d’une conceptrice d’éclairage ; sources, diffuseurs et trois sortes de verre
La nouvelle salle du musée ouvre lundi : une statue de marbre, des tableaux aux murs, une vitrine d’exposition, et un conservateur nerveux. Tu assistes la conceptrice d’éclairage.
Partie I — les principes, sur place.
- Le conservateur demande pourquoi la statue, « si éclatante de blancheur », a malgré tout besoin de lampes. Réponds avec les deux conditions de la vision.
- Énumère les sources primaires et les objets diffusants de la salle une fois les lampes allumées : les lampes, la statue, les tableaux, les visiteurs, le verre de la vitrine.
- Le marbre semble luire de partout, sans aucune tache éblouissante. Quelle manière de renvoyer la lumière est à l’œuvre, et pourquoi toutes les positions de visiteur en reçoivent-elles ?
- Une plaque de laiton poli, en revanche, renvoie un unique reflet éblouissant d’une lampe. Nomme l’autre manière, et énonce la règle qui gouverne l’endroit où part cet éclat.
Partie II — apprivoiser l’éblouissement.
- Les ampoules nues éblouissent les visiteurs. La conceptrice enferme chacune dans un globe dépoli. À quelle équipe de matériaux appartient le globe, et que fait-il à la lumière du filament ?
- Les tableaux doivent être éclairés, mais aucune lampe ne doit apparaître réfléchie dans leur vernis depuis l’endroit d’où on les regarde. À l’aide de la règle du miroir, où la conceptrice place-t-elle les lampes par rapport au tableau et au spectateur ?
- Le verre clair de la vitrine est presque invisible — jusqu’à ce que la manche blanche d’un visiteur y apparaisse comme un fantôme. Pourquoi un verre clair transmet-il et réfléchit-il faiblement ? Qu’obtient la conceptrice avec sa niche aux parois noires derrière la vitrine ?
- Des grains de poussière dérivent parfois dans les faisceaux des projecteurs, dessinant des fils lumineux dans l’air. Le conservateur : « Magnifique ! Gardez-le. » La conceptrice : « Cela signifie que l’air est sale. » Qui a raison sur la physique, et que sont ces fils ?
Partie III — l’essai de nuit.
- Lumières éteintes, volets scellés : le gardien rapporte une salle « absolument noire — même pas la statue blanche ». Explique avec les deux conditions pourquoi la blancheur est impuissante dans le noir.
- Un puits de lumière est proposé : du verre dépoli au plafond. Que livrera-t-il le jour, et que refusera-t-il de livrer (la vue des nuages, l’éblouissement direct du soleil) ?
- Le conservateur craint que le soleil ne fasse pâlir les tableaux et demande « de la lumière sans aucun soleil ». La conceptrice sourit : de jour, même la douce lumière des fenêtres orientées au nord est du soleil. Explique — qui l’a transmise ?
- Rédige le rapport de la conceptrice : trois phrases — une sur la raison pour laquelle la diffusion est la meilleure amie du musée, une sur les endroits où il faut surveiller les reflets à la manière du miroir, et une sur l’équipe de verre choisie pour chaque service.
Solution
Solution de Problème 49.1.
1. Le marbre ne fabrique aucune lumière : voir exige qu’une lumière quitte l’objet et entre dans l’œil, et un objet diffusant non éclairé n’envoie rien. Le blanc est une promesse de transmission, sans valeur sans livraison. 2. Sources primaires : les lampes, et elles seules. Diffuseurs : la statue, les tableaux, les visiteurs — et faiblement le verre de la vitrine (il transmet surtout). 3. La diffusion : la surface du marbre disperse la lumière reçue dans toutes les directions, si bien que chaque position de la salle est servie et qu’aucune n’est éblouie. 4. Une réflexion à la manière du miroir : le laiton poli renvoie la lumière de la lampe à angles égaux dans une seule direction — l’éclat n’atterrit que là où mène cette unique route. 5. Translucide : le globe laisse passer la clarté et brouille l’image — l’éblouissement ponctuel du filament devient une douce boule de lumière. 6. D’après la règle du rebond, une lampe apparaît dans le vernis quand la lampe et le spectateur se trouvent à angles égaux de part et d’autre de la surface du tableau. La conceptrice place donc les lampes haut et bien inclinées, pour que leur route rebondie plonge vers le sol devant le tableau — et jamais dans les yeux de l’endroit d’où l’on regarde. 7. Le verre transmet surtout, mais il renvoie toujours une faible part à la manière du miroir — les vitres claires sont de faibles miroirs, visibles sur fond sombre. La niche noire donne à la vue transmise un fond obscur, si bien que les faibles reflets ne peuvent pas rivaliser — les manches fantômes s’effacent. 8. Les deux : physiquement, les fils sont de la diffusion par des grains de poussière — de la lumière du faisceau dispersée vers les yeux des visiteurs ; et un air poussiéreux est bien ce qui les rend possibles. La physique est du côté de la conceptrice ; la poésie du côté du conservateur. 9. Pas de source, pas de lumière qui parte, rien à recevoir : la blancheur est un fort taux de transmission appliqué à rien. La première condition échoue pour tous les objets à la fois. 10. Une lumière du jour douce, régulière et sans ombres sur toute la salle — de la clarté sans images : pas de vue sur les nuages, et aucun éblouissement solaire direct sur le marbre. 11. Le ciel lui-même : de l’air qui diffuse la lumière du Soleil. La lumière du nord est du soleil transmis par tout un hémisphère d’air — douce, sans source apparente, et pourtant solaire ; seul le faisceau direct a été refusé. 12. Par exemple : « La diffusion est notre meilleure amie : elle remet chaque œuvre à chaque visiteur sans le moindre éblouissement. Les surfaces à la manière du miroir — vernis, laiton, verre de vitrine — doivent être surveillées, car elles livrent les lampes aux yeux le long de routes exactes et prévisibles. Et chaque verre sert selon son équipe : transparent pour voir à travers, translucide pour l’éblouissement et le puits de lumière, opaque pour l’obscurité. »