Lumière

La nature de la lumière

Nous avons affirmé que la lumière est une onde, ce qui suggère que chaque rayon de lumière devrait avoir une longueur d'onde associée et se déplacer en ligne droite.

Les ondes lumineuses peuvent avoir différentes longueurs d'onde, qui déterminent la couleur de la lumière visible observée. Cela signifie que chaque fois que tu observes une belle rose rouge par une journée ensoleillée, tes yeux perçoivent une réflexion de la lumière rouge de la rose, qui a une longueur d'onde d'environ 650 nm.

Nous pouvons maintenant être plus précis et dire que la nature de la lumière est celle d'une onde transversale. Elle transporte de l'énergie d'un point à un autre, comme le font toutes les ondes qui se déplacent. Le mot transversal fait simplement référence au fait que les champs électriques et magnétiques oscillent (ondulent), d'où le mot électromagnétique.

La lumière blanche, comme la lumière du soleil, est constituée de toutes les longueurs d'onde de la lumière visible. Nous le savons parce que la lumière présente une propriété appelée dispersion lorsqu'elle passe à travers un prisme en verre, comme le montre la figure ci-dessous.

La lumière blanche est dispersée à travers un prisme en toutes les couleurs du spectre visible, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

La lumière blanche, une fois dispersée, nous donne toutes les couleurs du spectre électromagnétique visible, c'est-à-dire ce que tu verrais dans un arc-en-ciel. La lumière rouge a une longueur d'onde d'environ 700 nanomètres (700 x¹⁰⁹ mètres), tandis que la lumière violette, à l'autre extrémité du spectre électromagnétique, a une longueur d'onde d'environ 380 nanomètres.

La vitesse de la lumière

Toutes les ondes qui se déplacent peuvent être considérées comme des oscillations porteuses d'énergie en mouvement. Cela signifie que les ondes lumineuses ne devraient pas être différentes, et si la lumière est en mouvement, elle doit avoir une vitesse. Il s'avère que non seulement la lumière a une vitesse, mais que sa vitesse est la plus rapide de l'univers. La vitesse de la lumière dans l'espace libre, c, est de 300 millions de mètres par seconde (3,00 x¹⁰⁸ m/s), ce qui est une constante et constitue essentiellement la limite de vitesse de l'univers qui ne peut être dépassée par aucun autre objet.

Cette affirmation nous dit que quelle que soit la couleur (ou la longueur d'onde) de la lumière, sa vitesse est toujours la même. Nous savons cependant, grâce au thème des ondes, que la vitesse d'une onde v, ou dans ce cas, c, peut s'écrire comme suit :

$$\begin{gathered} \text{speed = frequency × wavelength} \\ c=f\lambda \end{gathered}$$

Ici, nous savons que la longueur d'onde de la lumière est λ, et que la fréquence de l'onde est f. C'est ce que l'on appelle l'équation d'onde. Par conséquent, pour que c reste constant, la longueur d'onde et la fréquence de l'onde doivent être inversement proportionnelles (c'est-à-dire qu'une augmentation de l'une entraîne une diminution de l'autre et vice versa).

Utilisons cette équation pour trouver la longueur d'onde de la lumière rouge dans l'exemple suivant.

Les propriétés de la lumière

Les ondes lumineuses ont de nombreuses propriétés, mais nous allons en aborder deux en détail : la réflexion et la réfraction. Ce sont deux des propriétés les plus importantes de la lumière, qui peuvent être utilisées pour faire des observations d'objets éloignés dans l'univers.

La réflexion

Nous avons déjà mentionné que la couleur d'une rose est due à la réflexion de la lumière visible sur la rose. La réflexion est une propriété du mouvement ondulatoire qui se manifeste par la lumière visible. La réflexion se produit lorsque la lumière qui se déplace dans un certain milieu rencontre une frontière entre deux milieux, et que la lumière "rebondit" sur la frontière ou change de direction lorsqu'elle rencontre cette frontière et continue à se déplacer dans le milieu d'origine. Le diagramme ci-dessous illustre ce phénomène.

Un rayon de lumière se déplaçant dans l'air est incident sur un miroir plan. Il est réfléchi, c'est-à-dire qu'il change de direction et reste dans l'air, Wikimedia Commons CC BY 4.0.

Nous pouvons constater que l'angle par rapport au miroir plan est le même pour le rayon électromagnétique entrant que pour le rayon réfléchi. Imagine-toi debout sur la trajectoire du rayon réfléchi et remplace le miroir plan par un lac bleu et calme. Le lac réfléchit les rayons lumineux visibles du ciel (nuages et tout) et envoie les rayons réfléchis dans tes yeux, c'est pourquoi tu peux voir le ciel en haut tout en regardant vers le bas.

La réfraction

Laréfraction est une autre propriété du mouvement ondulatoire qui se manifeste par la lumière visible. Elle se produit lorsque les rayons lumineux passent d'un milieu à un autre et, ce faisant, changent de direction et de vitesse. Ce phénomène est illustré par la flèche rouge dans la figure ci-dessous.

Un rayon de lumière frappe la frontière entre deux milieux. Il subit une réfraction en changeant de direction et en se déplaçant le long de la ligne rouge, adaptée d'une image de CNX OpenStax CC BY 4.0.

Les types de supports et la longueur d'onde (couleur) de la lumière incidente déterminent dans quelle mesure un rayon lumineux est réfracté lorsqu'il se déplace entre les supports. La réfraction est la raison pour laquelle les objets dans une piscine ou un lac profond semblent plus proches de la surface qu'ils ne le sont en réalité. Ce phénomène s'appelle la profondeur apparente et a déjà trompé de nombreux pêcheurs.

Autres propriétés de la lumière

La réflexion et la réfraction ne sont pas les seules propriétés des ondes lumineuses, mais ce sont deux des plus importantes. Les autres propriétés de la lumière comprennent l'interférence, la diffraction, la polarisation, la diffusion et la dispersion. Tout comme la profondeur apparente, une étude plus approfondie de chacune de ces propriétés nous permettra de mieux comprendre les phénomènes que nous vivons tous les jours mais que nousneparvenons pas à expliquer.