Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
59Les couleurs et les spectres de la lumière
Où habitent les couleurs ? Dans la pomme, dit le bon sens — le rouge est bien là, sur la peau. Emporte pourtant la pomme dans un gymnase éclairé de bleu profond, et la pomme « rouge » devient noire comme du charbon. Les couleurs, il se trouve, sont une conversation à trois entre la lumière, l’objet et l’œil — et elle s’ouvre sur le fait le plus étrange de l’optique : la lumière blanche n’est pas blanche.
59.1 La lumière blanche déballée
Proposition 59.1 (La lumière blanche est un mélange)
La lumière « blanche » ordinaire — celle du Soleil, celle d’une lampe — est un mélange de toutes les couleurs à la fois. Envoyée à travers un prisme de verre, le mélange se déballe : chaque couleur est déviée d’une quantité légèrement différente en traversant le verre, si bien que les couleurs s’écartent en éventail et forment une bande continue du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié). Cette bande s’appelle un spectre, et le déballage, la dispersion.
Exemple 59.2 (Des spectres sans laboratoire)
La nature et le tiroir à bric-à-brac regorgent de prismes. L’arc-en-ciel : chaque goutte de pluie est un minuscule ensemble prisme-et-miroir, et l’arc large comme le ciel est de la lumière solaire dispersée par des millions de gouttes — toujours dans la moitié du ciel opposée au Soleil, ce qui explique que les chasseurs d’arcs-en-ciel se tiennent le Soleil dans le dos. La fine brume du tuyau d’arrosage en fait apparaître un sur commande. La face gravée d’un disque compact jette de petits spectres au plafond ; le bord biseauté d’un miroir raye le mur les après-midi ensoleillés. La lumière blanche trahit son mélange partout où elle rencontre une structure fine ou du verre incliné.
Exemple 59.3 (Remballer le mélange)
Le déballage marche aussi à l’envers. Peins un disque en secteurs arc-en-ciel et fais-le tourner vite : l’œil, trop lent pour suivre, reçoit de chaque point toutes les couleurs pratiquement à la fois — et lit le mélange : un blanc gris pâle et délavé. Le grand physicien qui déballa le premier la lumière solaire avec un prisme fit tourner exactement un tel disque pour plaider le remballage — et son coup le plus audacieux fut un second prisme, recueillant le spectre et le repliant en un unique faisceau blanc : le mélange prouvé dans les deux sens.
59.2 Pourquoi la pomme est rouge
Proposition 59.4 (La couleur d’un objet)
La couleur d’un objet opaque se fabrique par soustraction. Recevant de la lumière, l’objet absorbe une partie du mélange et diffuse le reste — et ce reste diffusé est ce qui atteint ton œil et nomme la couleur. Une pomme rouge absorbe presque toutes les couleurs de la lumière blanche et renvoie principalement le rouge. Une page blanche renvoie presque tout ; un manteau noir ne renvoie presque rien — il absorbe le lot (et s’échauffe en conséquence, comme en témoignent les voitures sombres en été). La couleur n’est pas dans la peau : elle est la réponse de la peau à la lumière qu’on lui a offerte.
Exemple 59.5 (L’épreuve du gymnase)
Revenons au gymnase éclairé de bleu. La peau de la pomme rouge fait ce qu’elle fait toujours : elle absorbe tout sauf le rouge et se tient prête à renvoyer du rouge — mais le projecteur bleu ne contient aucun rouge à renvoyer. Rien de diffusé, rien de reçu : la pomme paraît noire. La page blanche sous la même lumière renvoie ce qu’on lui donne : elle paraît bleue. Règle du théâtre : un objet ne peut renvoyer que les couleurs que la lumière a apportées — change la lumière, et tu changes tous les costumes de la salle.
Méthode 59.6 (Prédire une couleur sous n’importe quelle lumière)
- dresser la liste de ce que la lumière apporte (blanche : tout ; une lampe colorée : principalement sa propre couleur) ;
- dresser la liste de ce que l’objet renvoie en lumière blanche — sa couleur de plein jour la nomme ;
- croiser les deux listes : l’objet diffuse ce qui figure dans les deux ;
- croisement vide : l’objet paraît noir.
Une casquette bleue sous une lumière rouge : elle ne renvoie que du bleu, on ne lui offre que du rouge — croisement vide : casquette noire. Sous une lumière blanche : l’offre complète rencontre la réponse bleue — casquette bleue.
59.3 Fabriquer des couleurs avec de la lumière
Exemple 59.7 (Trois lampes les font toutes)
Mélanger des lumières ajoute. Superpose trois projecteurs — rouge, vert, bleu : le rouge et le vert ensemble font du jaune ; le vert et le bleu, un cyan turquoise ; le bleu et le rouge, du magenta ; tous les trois, du blanc. À partir de trois primaires bien choisies seulement, le mélange de lumières construit à peu près toutes les couleurs que l’œil sait nommer — et c’est pourquoi trois est le nombre magique de tout écran lumineux.
Exemple 59.8 (L’écran dans ta poche)
Examine une zone blanche d’un écran de téléphone ou de télévision à la forte loupe : pas de blanc nulle part — seulement de minuscules bandes rouges, vertes et bleues, toutes embrasées. Toutes les couleurs que l’écran montrera jamais sont ces trois lampes dosées en proportions ; tout « blanc » est le trio à pleine voix, mélangé par la distance de ton œil. La boîte de peinture travaille dans l’autre sens — les pigments absorbent, et les mélanger soustrait de la lumière au lieu d’en ajouter — ce qui explique pourquoi mélanger toutes les peintures donne une obscurité boueuse tandis que mélanger toutes les lumières donne du blanc ; l’histoire complète du peintre appartient au cours d’arts plastiques et à la chimie.
Remarque 59.9 (Le coucher du Soleil, payé rubis sur l’ongle)
La promesse du coucher du Soleil de l’an dernier arrive à échéance. L’air diffuse la lumière solaire — mais sans impartialité : le bout bleu du mélange est diffusé bien plus volontiers que le rouge. Détourne le regard du Soleil en plein jour et tu vois la part volée, réexpédiée par le ciel entier : du bleu. Au coucher du Soleil, la route rasante du faisceau direct à travers l’air est la plus longue, le vol du bleu presque total — et le survivant qui atteint ton œil est le reste rouge orangé, avec des nuages roses attrapant les dernières diffusions. Le ciel bleu et le coucher rouge sont un seul et même vol, vus des deux côtés du grand livre.
59.4 Exercices
Exercice 59.1 ★
Qu’est-ce qu’un spectre, et qu’est-ce que la dispersion ? Quelle couleur est la moins déviée par le prisme, et laquelle l’est le plus ?
Solution
Solution de Exercice 59.1.
La bande continue de couleurs cachée dans la lumière blanche, une fois déballée ; la dispersion est ce déballage — chaque couleur déviée de sa propre quantité. Le rouge est le moins dévié, le violet le plus.
Exercice 59.2 ★
Pourquoi un chasseur d’arcs-en-ciel doit-il se tenir le Soleil dans le dos ? Qui joue le rôle du prisme ?
Exercice 59.3 ★
Donne les deux démonstrations du fait que la lumière blanche est un mélange — une qui déballe, une qui remballe.
Exercice 59.4 ★
En langage de soustraction : pourquoi l’herbe est-elle verte ? Pourquoi la page blanche est-elle blanche et le tableau noir, noir ?
Solution
Solution de Exercice 59.4.
L’herbe absorbe l’essentiel du mélange et renvoie principalement du vert. La page renvoie presque tout — blanche ; le tableau ne renvoie presque rien, absorbant le lot — noir.
Exercice 59.5 ★
Prédis avec la méthode : une écharpe jaune sous une lumière blanche ; sous une lumière bleue.
Exercice 59.6 ★
Pourquoi la pomme rouge devient-elle noire dans le gymnase bleu — alors que le mouchoir blanc posé à côté devient bleu ?
Solution
Solution de Exercice 59.6.
La pomme ne peut renvoyer que du rouge, et le projecteur bleu n’en apporte aucun : noire. Le mouchoir renvoie tout ce qui arrive — offert du bleu, il renvoie du bleu : un mouchoir bleu.
Exercice 59.7 ★
Nomme les trois primaires du mélange de lumières et les résultats de chaque superposition deux à deux — puis des trois ensemble.
Solution
Solution de Exercice 59.7.
Rouge, vert, bleu. Rouge vert : jaune. Vert bleu : cyan. Bleu rouge : magenta. Les trois : blanc.
Exercice 59.8 ★
Que révèle la loupe dans le « blanc » d’un écran ? Où se fait le mélange ?
Solution
Solution de Exercice 59.8.
Seulement de minuscules bandes rouges, vertes et bleues, toutes allumées — pas de blanc nulle part. Le mélange se fait dans ton œil, trop loin pour séparer les bandes.
Exercice 59.9 ★★
Pourquoi mélanger toutes les lumières donne-t-il du blanc, alors que mélanger toutes les peintures donne une obscurité boueuse ? Une phrase par sens du grand livre.
Solution
Solution de Exercice 59.9.
Les lumières ajoutent ce qu’elles apportent, et l’ensemble complet des couleurs réunies fait du blanc — l’addition achève le mélange. Les peintures absorbent, chacune retranchant sa part de la lumière, et l’ensemble complet des soustractions ne laisse presque rien — l’obscurité par commission.
Exercice 59.10 ★★
Complète le grand livre du coucher du Soleil : ce que l’air vole de préférence, qui reçoit le butin et sous quelle forme, et ce qui survit à la plus longue route rasante — puis pourquoi la Lune éclipsée de l’an dernier rougeoie précisément de ce survivant.
Solution
Solution de Exercice 59.10.
L’air vole de préférence le bleu ; le ciel entier reçoit ce bleu volé et le réexpédie vers le bas en dôme bleu du plein jour ; le reste rouge orangé survit à la route rasante du coucher. La Lune éclipsée n’est éclairée que par de la lumière qui a rasé le bord de la Terre — filtrée par des couchers de Soleil tout autour de la planète — si bien qu’elle rougeoie de ce même survivant.
Exercice 59.11 ★★
La cabine d’essayage d’un magasin est éclairée de lampes chaudes, rougeâtres, « flatteuses pour le teint ». Une cliente achète une veste qui paraissait d’un brun chaud et profond — et la découvre d’un vert terne à la lumière du jour. Reconstitue la tromperie avec la méthode de prédiction.
Solution
Solution de Exercice 59.11.
Les lampes chaudes et rougeâtres offraient peu de vert ; la vraie réponse de la veste — surtout du vert avec un peu de rouge formant un mélange terne — ne pouvait montrer que sa part amie du rouge, qui se lisait comme un brun chaud. L’offre complète du plein jour a laissé parler la réponse verte : tromperie par une lumière avare, condamnée par la règle du croisement.
Exercice 59.12 ★★★
Art de la scène : un décorateur a besoin d’une banderole aux lettres vives et lisibles sur fond noir sous les lumières blanches de la salle — mais toute la banderole doit disparaître, uniformément noire, lettres et fond confondus, sous le bain rouge profond du final. Choisis la couleur des lettres et celle du fond (parmi : blanc, rouge, vert, bleu, noir), justifie chaque choix par les règles de la soustraction, et explique pourquoi des lettres blanches — le choix tentant — trahiraient le final.
Solution
Solution de Exercice 59.12.
Lettres bleues, fond noir. Sous les lumières blanches de la salle, les lettres bleues renvoient leur bleu tandis que le fond noir ne renvoie rien : lettres bleues vives sur noir — lisibles. Sous le bain rouge profond, on n’offre aux lettres bleues rien qu’elles puissent renvoyer, et le fond noir ne renvoie rien comme toujours : noir uniforme, banderole disparue. Des lettres blanches trahiraient le final : le renvoyeur universel répond même à un bain rouge par des lettres d’un rouge vif, lisibles sur le fond noir.
59.5 Problème : le théâtre de la lumière
Problème 59.1
Problème du week-end — répétition générale sous des projecteurs colorés ; des costumes, des filtres et une scène sabotée ; l’examen de l’éclairagiste
Répétition générale : trois projecteurs (rouge, vert, bleu) à gradateurs, un portant de costumes, et un livret plein de tours. C’est toi qui tiens le plan de feu.
Partie I — exercices d’échauffement.
- Les trois projecteurs à fond : quelle lumière baigne la scène, et pourquoi ?
- Rouge et vert à fond, bleu éteint : nomme la lumière de la scène.
- Sous ce mélange rouge-vert, prédis l’aspect : d’une chemise blanche ; d’une écharpe bleue ; d’une robe jaune.
- Le cyclorama blanc du fond sous le bleu seul — et la raison pour laquelle un fond de scène est toujours en toile blanche.
Partie II — consultation costumes.
- Le manteau du méchant doit paraître noir à la scène un (bain rouge) et pourtant d’un vert profond à la scène deux (lumière blanche). Quelle couleur de manteau, vue de jour, fait l’affaire, et pourquoi ?
- La robe du fantôme doit rester d’apparence blanche sous tous les éclairages. Quelle couleur de robe, et que montrera-t-elle réellement sous chaque projecteur pris seul ?
- L’écharpe rouge d’un comédien doit « se fondre » — indiscernable du rideau noir — à un instant précis. Quels projecteurs peuvent être allumés pour ce tour, et pourquoi échoue-t-il à l’instant où le projecteur rouge les rejoint ?
- Les lettres dorées du programme étaient splendides à midi mais boueuses sous le préréglage du soir, très chargé en bleu. Explique, en traitant l’or comme un jaune chaud.
Partie III — le sabotage. Scène d’ouverture : l’arche arc-en-ciel du décor (bandes peintes : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet) sous la pleine lumière blanche.
- Un farceur remplace le préréglage blanc par du rouge pur. Bande par bande, que voit maintenant le public ?
- Le metteur en scène, improvisant, demande les projecteurs rouge et bleu ensemble. Quelles bandes ressuscitent, et que fait ce bain magenta à la bande verte ?
- Le régisseur demande pourquoi l’on ne peut pas simplement « rééclairer normalement » l’arche avec un unique projecteur vert très puissant. Réponds en nommant la seule lumière qui montre les six bandes.
- Rédige la copie d’examen de l’éclairagiste : les deux lois du théâtre de la lumière — une sur ce que font les lumières quand on les mélange, une sur ce que font les objets de ce qu’on leur donne — chacune en une phrase.
Solution
Solution de Problème 59.1.
1. Du blanc — les trois primaires à pleine puissance s’ajoutent en le mélange complet. 2. Du jaune. 3. Chemise blanche : elle renvoie l’offre — jaune. Écharpe bleue : on ne lui offre aucun bleu — noire. Robe jaune : la réponse du jaune s’accorde à l’offre jaune — d’un jaune éclatant. 4. Un fond bleu. La toile blanche renvoie tout ce que l’éclairagiste lui envoie : un seul fond, toutes les couleurs à la demande — le pendant de l’écran blanc du cinéma. 5. Un manteau vert : sous le bain rouge, sa réponse verte ne rencontre aucun vert — méchant noir ; sous la lumière blanche, l’offre complète laisse parler le vert — un vert profond. 6. Une robe blanche — le renvoyeur universel : rouge sous le projecteur rouge, verte sous le vert, bleue sous le bleu, blanche sous les trois ; toujours la chose la plus lumineuse de la scène, toujours « d’apparence blanche » par rapport au tableau. 7. Tout éclairage sans rouge : le projecteur bleu, le vert, ou les deux ensemble — ne recevant aucun rouge, l’écharpe ne renvoie rien et se fond dans le rideau noir. À l’instant où le projecteur rouge les rejoint, l’offre contient exactement ce à quoi l’écharpe répond : elle flamboie de rouge, et le tour meurt. 8. L’or, traité comme un jaune chaud, répond généreusement au rouge et au vert, à peine au bleu. Le préréglage chargé en bleu n’offrait presque rien qu’il pût renvoyer : des lettres boueuses et ternes. Le mélange complet de midi laissait flamboyer le jaune. 9. Bande rouge : d’un rouge éclatant. Orange et jaune : des versions rougeâtres et affaiblies d’elles-mêmes (leurs réponses comprennent un peu de rouge). Vert : noir. Bleu et violet : noirs (le violet à peine braise sombre). L’arche s’effondre en une ruine rouge et noire. 10. Les bandes rouge et bleue ressuscitent ; le violet luit faiblement (il répond au bleu et à un peu de rouge) ; l’orange et le jaune ne montrent que leur faible part de rouge ; la bande verte reste noire — la lumière magenta ne contient aucun vert. 11. Seule la lumière blanche — le mélange complet — montre les six bandes : chaque bande renvoie sa propre couleur, et seule une offre contenant les six peut recevoir six réponses. Un projecteur vert, si puissant soit-il, éclaire une bande et en assassine cinq. 12. Par exemple : « Les lumières mélangées s’ajoutent : le rouge, le vert et le bleu construisent toutes les couleurs et, réunis, le blanc. Et tout objet soustrait : il ne renvoie que sa propre part de ce que la lumière a apporté — offre-lui rien qu’il puisse renvoyer, et il s’habille de noir. »