Calculer une distance avec d = v × t et une durée avec t = d / v (chapitres 7 et 12).
La vitesse du son dans l'air : environ 340 m/s (chapitre 12).
Écrire un grand nombre avec une puissance de 10 : 1 000 = 103 (maths, chapitre 2).
Convertir : 1 min = 60 s ; 1 h = 3 600 s.
Objectifs du chapitre :
C1 – Distinguer une source primaire de lumière et un objet diffusant.
C2 – Utiliser la propagation rectiligne et le modèle du rayon lumineux (ombres).
C3 – Connaître la vitesse de la lumière et l'utiliser (d = v × t).
C4 – Utiliser l'année-lumière comme unité de distance.
C5 – Connaître les dangers de certaines sources lumineuses et les protections.
1. Situation d'entrée — Une nuit au camping
Situation — La Lune et l'étoile
Yanis est en camping. Il fait nuit. Il éteint sa lampe de poche et regarde le ciel.
Il voit la Lune, très brillante. Il voit aussi Sirius, l'étoile la plus brillante du ciel la nuit.
Yanis voit la Lune et l'étoile Sirius (sans échelle).
Question 1 : la Lune produit-elle sa propre lumière, comme une lampe ? Question 2 : Sirius est à 8,6 années-lumière. Combien de temps sa lumière met-elle pour arriver jusqu'à Yanis ?
Les réponses sont à la fin de la section 2 et à la fin de la section 5.
2. Sources de lumière et objets diffusants (C1)
Définition
Une source primaire de lumièreproduit sa propre lumière.
Exemples : le Soleil, les étoiles, une lampe allumée, une flamme, un écran de téléphone allumé.
Définition
Un objet diffusant ne produit pas de lumière. Il renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu'il reçoit.
Exemples : la Lune, un livre, un mur, un vêtement, ton visage. Dans le noir complet, on ne les voit pas.
La lumière va de la lampe au livre, puis du livre à l'œil. Le livre renvoie la lumière dans toutes les directions (traits pointillés).
À savoir
Pour voir un objet, il faut que de la lumière venant de cet objet entre dans l'œil.
On voit une source primaire parce qu'elle envoie sa lumière dans l'œil.
On voit un objet diffusant seulement s'il est éclairé : il renvoie alors une partie de la lumière vers l'œil.
L'œil ne produit pas de lumière : il la reçoit.
Activité expérimentale 1 — La boîte noire
Matériel : une boîte à chaussures fermée et peinte en noir à l'intérieur, une balle posée au fond, deux petits trous sur le côté (un pour regarder, un pour éclairer), une lampe de poche.
1
Bouche le trou pour éclairer avec ton doigt. Regarde par l'autre trou.
2
Enlève ton doigt et éclaire l'intérieur avec la lampe de poche. Regarde encore.
a) Vois-tu la balle à l'étape 1 ? Et à l'étape 2 ?
b) La balle est-elle une source primaire ou un objet diffusant ?
a) Étape 1 : on ne voit pas la balle, la boîte est dans le noir. Étape 2 : on voit la balle.
b) La balle ne produit pas de lumière : c'est un objet diffusant. Conclusion : on voit un objet diffusant seulement s'il est éclairé. La lumière va de la source à l'objet, puis de l'objet à l'œil.
MéthodeReconnaître une source primaire ou un objet diffusant
1
Je me pose la question : dans le noir complet, est-ce que je vois encore cet objet ?
2
Oui, il brille tout seul → source primaire.
3
Non, il faut l'éclairer → objet diffusant.
Exemple : sur un chantier de nuit, un ouvrier porte un gilet orange. Un projecteur éclaire le chantier.
1
Le projecteur allumé brille tout seul : c'est une source primaire.
2
Le gilet ne brille pas dans le noir complet : c'est un objet diffusant. On le voit parce que le projecteur l'éclaire.
3
Les bandes grises du gilet renvoient beaucoup de lumière vers les phares des voitures : l'ouvrier est bien visible.
Attention
Un objet qui brille n'est pas forcément une source primaire : la Lune, un miroir ou une bande réfléchissante renvoient la lumière, ils ne la produisent pas.
Une lampe éteinte n'est pas une source primaire : elle ne produit pas de lumière.
À toi (C1)
Pour chaque objet, écris : source primaire ou objet diffusant.
a) Le Soleil b) un cahier c) la flamme d'une bougie d) la Lune e) l'écran allumé d'un téléphone f) un mur blanc
a) Le Soleil : source primaire.
b) Un cahier : objet diffusant.
c) La flamme : source primaire.
d) La Lune : objet diffusant (elle renvoie la lumière du Soleil).
e) L'écran allumé : source primaire.
f) Un mur blanc : objet diffusant.
Réponse à la question 1 de la situation d'entrée :
1
La Lune ne produit pas de lumière. Elle est éclairée par le Soleil et renvoie une partie de cette lumière vers la Terre.
2
La Lune est donc un objet diffusant. Sirius, comme toutes les étoiles, est une source primaire.
3. La lumière va en ligne droite (C2)
Définition
Dans l'air, dans l'eau ou dans le vide, la lumière se propage en ligne droite. On dit que sa propagation est rectiligne.
Activité expérimentale 2 — Les trois cartons troués
Matériel : une lampe de poche, trois cartons percés chacun d'un petit trou, de la pâte à fixe.
En haut, les trois trous sont alignés. En bas, le carton du milieu est décalé : la lumière est arrêtée.
1
Place les trois cartons debout, les trous à la même hauteur. Allume la lampe derrière le premier carton.
2
Regarde par le dernier trou. Vois-tu la lampe ?
3
Décale un peu le carton du milieu. Regarde encore.
a) Quand vois-tu la lumière de la lampe ?
b) Qu'est-ce que cela montre sur le chemin de la lumière ?
a) On voit la lampe seulement quand les trois trous sont alignés, sur une même ligne droite avec la lampe et l'œil.
b) La lumière ne peut pas faire de détour pour passer par un trou décalé. Conclusion : la lumière se propage en ligne droite.
Définition
Pour représenter le chemin de la lumière, on trace un rayon lumineux : un trait droit fait à la règle, avec une flèche qui montre le sens de la lumière (de la source vers l'objet, puis vers l'œil).
Définition
Quand un objet opaque est éclairé, la lumière ne le traverse pas. Il y a deux ombres :
l'ombre propre : la partie de l'objet qui n'est pas éclairée (le côté opposé à la lampe) ;
l'ombre portée : la zone sombre derrière l'objet, sur le sol ou sur un mur, où la lumière n'arrive pas.
Les deux rayons qui frôlent le ballon donnent les bords de l'ombre portée. La partie grise du ballon est son ombre propre (sans échelle).
Activité expérimentale 3 — L'ombre d'une figurine
Matériel : une lampe de poche, une figurine (ou une gomme debout), un mur blanc ou une feuille blanche verticale.
1
Pose la figurine à 20 cm du mur. Éclaire-la avec la lampe placée à 50 cm. Regarde l'ombre sur le mur.
2
Rapproche la lampe de la figurine. Regarde l'ombre.
3
Déplace la lampe vers la gauche. Regarde de quel côté va l'ombre.
a) Quand la lampe se rapproche de la figurine, l'ombre portée grandit-elle ou rétrécit-elle ?
b) L'ombre portée est-elle du même côté que la lampe ?
a) L'ombre portée grandit : les rayons qui frôlent la figurine s'écartent davantage.
b) Non : l'ombre portée est toujours du côté opposé à la lampe. Si la lampe va à gauche, l'ombre va à droite. Conclusion : l'ombre portée se trouve derrière l'objet, à l'opposé de la source, là où les rayons droits n'arrivent pas.
MéthodeTrouver une ombre portée avec des rayons
1
Je pars de la source. Je trace à la règle un rayon qui frôle le haut de l'objet, jusqu'à l'écran.
2
Je trace un deuxième rayon qui frôle le bas de l'objet.
3
Entre ces deux rayons, derrière l'objet, la lumière n'arrive pas : c'est l'ombre portée.
Exemple : pendant une éclipse de Soleil, la Lune passe exactement entre le Soleil et la Terre.
1
La source est le Soleil. L'objet opaque est la Lune.
2
La lumière va en ligne droite : elle ne contourne pas la Lune.
3
L'ombre portée de la Lune tombe sur une petite partie de la Terre. Là, il fait sombre en plein jour pendant quelques minutes.
Attention
Un rayon lumineux se trace à la règle, jamais à main levée, et toujours avec une flèche.
Ne confonds pas les deux ombres : l'ombre propre est sur l'objet ; l'ombre portée est derrière l'objet, sur le sol ou le mur.
À toi (C2)
a) Yanis regarde une lampe allumée à travers un tuyau d'arrosage courbé. La voit-il ? Pourquoi ?
b) Sur un chantier, un ouvrier se rapproche d'un projecteur. Son ombre sur le mur grandit-elle ou rétrécit-elle ?
c) Le Soleil est à l'est, le matin. De quel côté de l'arbre se trouve son ombre portée : est ou ouest ?
a) Non : la lumière va en ligne droite, elle ne peut pas suivre la courbe du tuyau.
b) Elle grandit : plus l'objet est proche de la source, plus l'ombre portée est grande.
c) À l'ouest : l'ombre portée est du côté opposé à la source de lumière.
4. La vitesse de la lumière (C3)
Définition
La lumière se propage dans le vide (l'espace), dans l'air, dans l'eau et dans le verre. Contrairement au son, elle n'a pas besoin de matière.
Dans le vide et dans l'air, sa vitesse est d'environ :
v = 300 000 km/s = 3 × 105 km/s
En 1 seconde, la lumière parcourt 300 000 km : plus de 7 fois le tour de la Terre.
À savoir
La valeur exacte est 299 792,458 km/s. On arrondit à 300 000 km/s.
Le son va à 340 m/s dans l'air. La lumière va à 300 000 000 m/s : presque un million de fois plus vite. C'est pour cela qu'on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre (chapitre 12).
Rien ne va plus vite que la lumière.
Formules
Ce sont les mêmes formules que pour le son, avec la vitesse de la lumière :
d = v × t et t = d / v
d : distance en kilomètres (km) ; v = 300 000 km/s ; t : durée en secondes (s).
MéthodeCalculer une distance ou une durée avec la lumière
1
J'écris la vitesse : v = 300 000 km/s.
2
Je cherche la distance → d = v × t. Je cherche la durée → t = d / v.
3
Je vérifie les unités : des km et des secondes. Je calcule.
4
J'écris le résultat avec son unité. Si la durée est grande, je la convertis en minutes (1 min = 60 s).
Exemple 1 (chercher une durée) : le Soleil est à environ 150 millions de km de la Terre. Combien de temps sa lumière met-elle pour nous arriver ?
1
v = 300 000 km/s ; d = 150 000 000 km.
2
Je cherche la durée : t = d / v.
3
t = 150 000 000 / 300 000 = 500 s.
4
500 s = 8 × 60 s + 20 s = 8 min 20 s. La lumière du Soleil met environ 8 minutes pour arriver sur Terre.
Exemple 2 (le laser vers la Lune) : depuis un observatoire, on envoie un tir laser vers un miroir posé sur la Lune par les astronautes. La lumière revient 2,56 s plus tard. À quelle distance est la Lune ?
La lumière du laser fait l'aller jusqu'au miroir posé sur la Lune, puis le retour (sans échelle).
1
v = 300 000 km/s ; t = 2,56 s (aller et retour).
2
Distance aller + retour : d = v × t = 300 000 × 2,56 = 768 000 km.
3
La lumière a fait deux fois le trajet : distance Terre-Lune = 768 000 / 2 = 384 000 km.
Trajet de la lumière
Distance (environ)
Durée du trajet
de la Lune à la Terre
384 000 km
environ 1,3 s
du Soleil à la Terre
150 millions de km = 1,5 × 108 km
environ 8 min 20 s
de l'étoile Proxima du Centaure à la Terre
40 000 milliards de km = 4 × 1013 km
environ 4,2 ans
Sources : distance moyenne Terre-Lune 384 400 km et Terre-Soleil 149,6 millions de km (Union astronomique internationale, IMCCE) ; Proxima du Centaure à 4,2 années-lumière (NASA).
Attention
Avec la lumière, on calcule en km et en km/s, pas en m et en m/s. Ne mélange pas les deux.
N'utilise pas 340 m/s : c'est la vitesse du son.
Pour un aller-retour (laser, radar), n'oublie pas de diviser par 2.
À toi (C3)
a) Calcule la distance parcourue par la lumière en 3 s.
b) La Lune est à 384 000 km de la Terre. Calcule la durée que met sa lumière pour nous arriver.
a) d = v × t = 300 000 × 3 = 900 000 km.
b) t = d / v = 384 000 / 300 000 = 1,28 s, environ 1,3 s.
À toi (C3)
Un robot sur la planète Mars envoie une photo par radio. Les ondes radio vont aussi vite que la lumière : 300 000 km/s. Quand Mars est au plus près de la Terre, elle est à environ 60 millions de km.
a) Calcule la durée du trajet de la photo, en secondes.
b) Convertis cette durée en minutes et secondes.
a) t = d / v = 60 000 000 / 300 000 = 200 s.
b) 200 s = 3 × 60 s + 20 s = 3 min 20 s. On ne peut donc pas piloter le robot « en direct » : chaque ordre met plus de 3 minutes pour arriver.
5. L'année-lumière, une unité de distance (C4)
Définition
Une année-lumière (symbole al) est la distance parcourue par la lumière en 1 an.
1 al ≈ 9 500 milliards de km ≈ 9,5 × 1012 km
On l'utilise pour les distances entre les étoiles, beaucoup trop grandes pour les km.
D'où vient ce nombre ? (avec la calculatrice)
1
Durée de 1 an en secondes : 365 × 24 × 3 600 = 31 536 000 s.
2
d = v × t = 300 000 × 31 536 000 = 9 460 800 000 000 km.
3
En arrondissant : environ 9 500 milliards de km, soit 9,5 × 1012 km.
Plus un astre est loin, plus sa lumière met de temps à nous arriver. Distances des étoiles : NASA.
À savoir
Une étoile située à 4,2 al envoie une lumière qui met 4,2 ans pour arriver jusqu'à nous.
On voit donc les étoiles comme elles étaient dans le passé, au moment où leur lumière est partie.
Proxima du Centaure est l'étoile la plus proche après le Soleil : environ 4,2 al. Sirius est à environ 8,6 al. La galaxie d'Andromède est à environ 2,5 millions d'al.
MéthodeUtiliser l'année-lumière
1
Un astre est à N al → sa lumière met N années pour arriver.
2
Pour avoir la distance en km, je multiplie : N × 9,5 × 1012 km.
Exemple : Proxima du Centaure est à 4,2 al.
1
Sa lumière met 4,2 ans pour arriver sur Terre.
2
Distance en km : 4,2 × 9,5 × 1012 = 39,9 × 1012 km.
3
Environ 40 000 milliards de km, soit 4 × 1013 km. Une fusée actuelle mettrait des dizaines de milliers d'années pour y aller.
Attention
Malgré son nom, l'année-lumière est une distance, pas une durée. On ne dit pas « j'ai attendu 2 années-lumière ».
1 al ne vaut pas 300 000 km : 300 000 km, c'est la distance parcourue en 1 seconde, pas en 1 an.
À toi (C4)
a) Vrai ou faux : « l'année-lumière est une unité de durée ».
b) Sirius est à 8,6 al. Combien de temps sa lumière met-elle pour arriver sur Terre ?
c) La galaxie d'Andromède est à 2,5 millions d'al. Quand sa lumière est-elle partie ?
d) Calcule la distance de Sirius en km (1 al ≈ 9,5 × 1012 km).
a) Faux : c'est une unité de distance.
b) 8,6 ans.
c) Il y a environ 2,5 millions d'années.
d) 8,6 × 9,5 × 1012 = 81,7 × 1012 km ≈ 8,2 × 1013 km (environ 82 000 milliards de km).
Réponse à la question 2 de la situation d'entrée :
1
Sirius est à 8,6 al : sa lumière met 8,6 ans pour arriver jusqu'à Yanis.
2
La lumière que Yanis voit ce soir est partie de Sirius il y a plus de 8 ans : il voit l'étoile comme elle était à ce moment-là.
6. Les dangers de la lumière et les protections (C5)
Définition
Certaines sources de lumière sont dangereuses pour les yeux, parce que leur lumière est très intense ou très concentrée :
le Soleil ;
les lasers (pointeur laser, laser de chantier) ;
l'arc électrique de la soudure ;
les lampes très puissantes (projecteurs, certaines LED).
Elles peuvent brûler la rétine, le fond de l'œil. Cette brûlure ne fait pas mal, mais elle peut être définitive : on perd une partie de la vue.
Le triangle jaune signale un danger : ici, un laser. Le disque bleu signale une obligation : ici, porter des lunettes de protection. Le masque de soudeur protège les yeux et le visage.
Se protéger
Soleil : ne jamais le regarder en face, même avec des lunettes de soleil, même quelques secondes. Pour observer une éclipse, il faut des lunettes spéciales d'éclipse (norme ISO 12312-2) : les lunettes de soleil ne suffisent pas.
Laser : ne jamais diriger un faisceau vers les yeux de quelqu'un, ni vers une voiture ou un avion. En France, la vente au public des lasers de classe supérieure à 2 est interdite (loi du 14 mars 2011 et décret du 28 novembre 2012). Sur un chantier, on ne fixe jamais le faisceau du niveau laser.
Soudure à l'arc : la lumière de l'arc brûle les yeux (le « coup d'arc »). Le soudeur porte un masque à vitre filtrante ; les autres se tiennent à l'écart ou derrière un écran de soudage.
Lampes puissantes : ne pas fixer un projecteur ou une lampe LED très puissante.
MéthodeSavoir réagir face à une source dangereuse
1
Je repère la source : Soleil, laser, arc de soudure, lampe très puissante ?
2
Je ne la regarde pas en face, même si elle ne fait pas mal.
3
Si je dois la regarder ou travailler à côté, je porte la protection adaptée (lunettes d'éclipse, lunettes de protection, masque de soudeur).
Exemple : dans l'atelier de métallerie du lycée, un élève soude une pièce à l'arc. Malik passe à côté.
1
La source dangereuse est l'arc de soudure : sa lumière est très intense.
2
Malik ne regarde pas l'arc, même un court instant.
3
Le soudeur porte un masque à vitre filtrante. Malik passe derrière l'écran de soudage.
Attention
Ne pas avoir mal ne veut pas dire ne pas être en danger : la rétine n'a pas de capteur de douleur.
Un pointeur laser n'est pas un jouet. Viser quelqu'un dans les yeux peut le rendre malvoyant.
À toi (C5)
a) Lina veut regarder une éclipse de Soleil avec ses lunettes de soleil. Est-ce une bonne idée ? Que doit-elle utiliser ?
b) Un camarade s'amuse à viser les yeux des autres avec un pointeur laser. Pourquoi est-ce dangereux ?
c) Que porte un soudeur pour protéger ses yeux ?
a) Non : les lunettes de soleil ne protègent pas assez. Elle doit utiliser des lunettes spéciales d'éclipse.
b) La lumière du laser est très concentrée : elle peut brûler la rétine, sans douleur, et pour toujours.
c) Un masque de soudeur à vitre filtrante.
7. L'essentiel à retenir
À retenir :
Une source primaire produit sa lumière (Soleil, lampe, flamme). Un objet diffusant renvoie la lumière qu'il reçoit (Lune, livre, mur).
Pour voir un objet, sa lumière doit entrer dans l'œil.
La lumière se propage en ligne droite. On la représente par un rayon : un trait droit avec une flèche.
Ombre propre : partie non éclairée de l'objet. Ombre portée : zone sombre derrière l'objet.
La lumière se propage aussi dans le vide, à 300 000 km/s (3 × 105 km/s).
d = v × t et t = d / v, avec d en km, v en km/s, t en s.
L'année-lumière est une distance : celle parcourue par la lumière en 1 an, environ 9,5 × 1012 km.
Ne jamais regarder le Soleil, un laser ou un arc de soudure sans protection adaptée : la rétine peut brûler sans douleur.
Erreurs fréquentes
Croire que la Lune produit sa lumière : elle renvoie celle du Soleil.
Croire que l'œil envoie de la lumière : il la reçoit.
Tracer un rayon sans flèche ou à main levée : règle et flèche obligatoires.
Confondre ombre propre et ombre portée : propre = sur l'objet ; portée = derrière l'objet.
Mélanger m et km : avec 300 000 km/s, les distances sont en km.
Croire que l'année-lumière est une durée : c'est une distance.
Regarder le Soleil avec des lunettes de soleil : elles ne protègent pas assez.