Les signaux lumineux

Physique-chimie Troisième · rappels de quatrième

Ces notions sont étudiées en cinquième (sources de lumière, propagation rectiligne) et en quatrième (vitesse de la lumière). Elles reviennent régulièrement au brevet : voici l'essentiel.

Voir un objet

Sources primaires et objets diffusants

  • Une source primaire (ou objet lumineux) produit sa propre lumière : le Soleil, une lampe allumée, une flamme, un écran allumé.
  • Un objet diffusant ne produit pas de lumière : il renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu'il reçoit. C'est le cas de presque tous les objets qui nous entourent… et de la Lune !
lampesource primaireballonobjet diffusantœil
On voit un objet lorsque de la lumière venant de cet objet entre dans notre œil.

La propagation de la lumière

En ligne droite

Dans le vide ou dans un milieu transparent et homogène (air, eau, verre), la lumière se propage en ligne droite. On la représente par un rayon lumineux : une droite munie d'une flèche qui indique le sens de propagation.

Les trous sont alignés : la lumière passe et l'œil voit la lampe.

Ombres et éclipse de Soleil

Comme la lumière se propage en ligne droite, un objet opaque éclairé crée derrière lui une zone d'ombre, qui ne reçoit aucune lumière, entourée d'une pénombre, qui reçoit la lumière d'une partie seulement de la source. Une éclipse de Soleil en est un magnifique exemple : la Lune passe entre le Soleil et la Terre.

Schéma qui n'est pas à l'échelle.

Les conditions d'une éclipse de Soleil. 📄 ✏️

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1. Dans quel ordre doivent être alignés les trois astres ?

Soleil, Lune, Terre : la Lune est entre les deux. C'est forcément le jour de la nouvelle Lune.

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2. Où faut-il se trouver pour voir une éclipse totale ? une éclipse partielle ?

Éclipse totale : dans l'ombre de la Lune, une bande étroite de la Terre (quelques centaines de kilomètres de large). Éclipse partielle : dans la pénombre, une zone bien plus vaste. Ailleurs, on ne voit rien.

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3. La Lune est 400 fois plus petite que le Soleil. Comment peut-elle le cacher entièrement ?

Elle est aussi environ 400 fois plus proche de nous : vus de la Terre, les deux astres paraissent donc avoir la même taille. C'est une coïncidence qui rend les éclipses totales possibles.

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4. Pourquoi n'y a-t-il pas une éclipse à chaque nouvelle Lune ?

L'orbite de la Lune est légèrement inclinée : la plupart du temps, l'ombre de la Lune passe au-dessus ou au-dessous de la Terre.

Ne regardez jamais le Soleil directement, même pendant une éclipse partielle : il faut des lunettes spéciales pour éclipse. Les lunettes de soleil ne protègent pas.

La vitesse de la lumière

Dans le vide, la lumière se propage à environ 300 000 km/s : c'est la plus grande vitesse possible. Elle met environ 1,3 s pour venir de la Lune et 8 min 20 s pour venir du Soleil. Pour les distances entre les étoiles, on utilise l'année-lumière (voir étude de mouvements).

Le faisceau d'un laser est très concentré : il ne faut jamais le diriger vers les yeux de quelqu'un, ni le regarder, même après une réflexion sur un miroir.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Voir et propager

  • Source primaire : produit sa lumière ; objet diffusant : renvoie la lumière reçue.
  • On voit un objet si de la lumière venant de lui entre dans l'œil.
  • Propagation en ligne droite ; modèle du rayon lumineux.

Éclipse et vitesse

  • Éclipse de Soleil : Soleil, Lune, Terre alignés ; totale dans l'ombre, partielle dans la pénombre.
  • Vitesse de la lumière dans le vide : 300 000 km/s.

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur la lumière ✏️

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : source primaire ou objet diffusant ? ✏️

📝 Classe chaque objet.
💡 Indice Produit-il sa propre lumière ?
ObjetNature
le Soleil
la Lune
une bougie allumée
une feuille de papier
un écran de téléphone allumé
la planète Mars

Exercice 3 : Vrai ou faux sur la lumière ✏️

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 4 : mesurer la distance Terre-Lune 📄 ✏️ 🧮


Des astronautes ont déposé des miroirs sur la Lune. Depuis la Terre, on envoie vers eux un faisceau laser : la lumière revient au bout de \(t = 2{,}56\ \text{s}\). Vitesse de la lumière : \(v = 300\,000\ \text{km/s}\).


📖
1. Quelle distance la lumière a-t-elle parcourue pendant cette durée ?
💡 Indice d = v × t.

\(d = v \times t = 300\,000 \times 2{,}56 = 768\,000\ \text{km}\).

📖
2. En déduire la distance Terre-Lune.
💡 Indice La lumière fait un aller et un retour.

La lumière a fait l'aller et le retour : \(D = \dfrac{d}{2} = \dfrac{768\,000}{2} = 384\,000\ \text{km}\).

Exercice 5 : l'éclipse de Lune 📄 ✏️


Lors d'une éclipse de Lune, la pleine Lune devient sombre, souvent rougeâtre, pendant parfois plus d'une heure.


📖
1. Dans quel ordre le Soleil, la Terre et la Lune sont-ils alignés ?
💡 Indice Quel astre fait de l'ombre à la Lune ?

Soleil, Terre, Lune : la Lune passe dans l'ombre de la Terre.

📖
2. Pourquoi la Lune s'assombrit-elle ?
💡 Indice La Lune est un objet diffusant.

La Lune ne produit pas de lumière : elle renvoie celle du Soleil. Dans l'ombre de la Terre, elle n'en reçoit presque plus, donc elle n'en renvoie presque plus vers nous.

📖
3. Contrairement à une éclipse de Soleil, une éclipse de Lune est visible depuis toute la moitié de la Terre où il fait nuit. Pourquoi ?
💡 Indice Où se trouvent ceux qui voient la Lune ?

Tous ceux qui voient la Lune à ce moment-là (côté nuit de la Terre) la voient s'assombrir : c'est la Lune elle-même qui est dans l'ombre.