Vérifier expérimentalement la loi de la réflexion de la lumière.
Mettre en évidence le phénomène de réfraction et relier l’angle de réfraction à l’indice du milieu.
Décomposer la lumière blanche et connaître le spectre visible, les IR et les UV.
Réaliser une synthèse additive des couleurs (RVB).
1. La lumière — rappels
Définition
La lumière est un rayonnement électromagnétique qui se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène. On modélise sa trajectoire par un rayon lumineux (une droite avec une flèche indiquant le sens de propagation).
Propriété
Contrairement au son, la lumière se propage dans le vide. Sa vitesse dans le vide est \(c = 300\,000\,\text{km/s}\) (environ \(3 \times 10^8\,\text{m/s}\)).
2. La réflexion de la lumière
Définition
La réflexion est le phénomène par lequel un rayon lumineux est renvoyé lorsqu’il atteint une surface (miroir, métal poli, vitre). Le rayon incident et le rayon réfléchi se trouvent dans le même plan, de part et d’autre de la normale à la surface.
Loi de la réflexion
L’angle de réflexion \(r\) est égal à l’angle d’incidence \(i\) :
\[ r = i \]
Les angles sont mesurés par rapport à la normale (droite perpendiculaire à la surface au point d’incidence).
Application rapide
Un rayon laser frappe un miroir avec un angle d'incidence de 40°. Quel est l'angle de réflexion ? Si on incline le miroir de 15°, quel est le nouvel angle de réflexion ?
Angle de réflexion = 40° (loi de réflexion r = i). Nouvel angle d'incidence = 40 + 15 = 55° → angle de réflexion = 55°.
Méthode — Tracer un rayon réfléchi
Tracer la surface réfléchissante (miroir).
Au point d’incidence, tracer la normale (perpendiculaire à la surface).
Tracer le rayon incident et mesurer l’angle \(i\) par rapport à la normale.
Tracer le rayon réfléchi de l’autre côté de la normale, avec \(r = i\).
Exemple — Laser de niveau
Sur un chantier, un artisan utilise un laser de niveau qui projette un trait horizontal sur le mur. Si le faisceau rencontre un miroir posé à 45° de la surface, il est réfléchi à 90° de sa direction initiale. Cela permet de renvoyer le trait lumineux dans une autre direction, par exemple pour aligner des éléments dans un angle.
3. La réfraction de la lumière
Définition
La réfraction est le changement de direction d’un rayon lumineux lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre (par exemple, de l’air au verre, ou de l’air à l’eau). Le rayon est dévié au niveau de la surface de séparation.
L’indice de réfraction
Définition
L’indice de réfraction \(n\) d’un milieu transparent caractérise la façon dont la lumière s’y propage. Plus l’indice est élevé, plus la lumière est ralentie et plus le rayon est dévié.
Milieu
Indice \(n\)
Vide / Air (approximation)
1,00
Eau
1,33
Verre ordinaire
1,50
Plexiglas
1,49
Diamant
2,42
Propriété — Lien entre angle et indice
Quand la lumière passe d’un milieu moins réfringent (indice faible, ex. air) à un milieu plus réfringent (indice élevé, ex. verre) : le rayon réfracté se rapproche de la normale. L’angle de réfraction est plus petit que l’angle d’incidence.
Quand la lumière passe d’un milieu plus réfringent à un milieu moins réfringent : le rayon s’écarte de la normale.
Application rapide
Un rayon passe de l'air (n = 1,00) dans le verre (n = 1,50) avec un angle d'incidence de 45°. Le rayon se rapproche-t-il ou s'éloigne-t-il de la normale dans le verre ? L'angle de réfraction est-il plus grand ou plus petit que 45° ?
Le verre a un indice plus élevé que l'air → le rayon se rapproche de la normale. L'angle de réfraction est plus petit que 45°.
Méthode — Tracer un rayon réfracté
Tracer la surface de séparation entre les deux milieux.
Tracer la normale au point d’incidence.
Tracer le rayon incident et mesurer l’angle d’incidence \(i_1\).
Déterminer le sens de la déviation : si le rayon entre dans un milieu plus réfringent (\(n_2 > n_1\)), il se rapproche de la normale (\(i_2 < i_1\)).
Tracer le rayon réfracté avec l’angle \(i_2\) par rapport à la normale.
Exemple
Un rayon lumineux arrive sur une vitre en verre (\(n = 1{,}50\)) avec un angle d’incidence de 40°. En entrant dans le verre, le rayon se rapproche de la normale : l’angle de réfraction est d’environ 25°. En sortant du verre (retour dans l’air), le rayon s’écarte de la normale et reprend quasiment sa direction initiale.
4. Le spectre de la lumière blanche
Définition
La lumière blanche (lumière du Soleil, lampe à incandescence) est constituée de toutes les couleurs du spectre visible. On peut la décomposer à l’aide d’un prisme ou d’un réseau.
Le spectre visible
La décomposition de la lumière blanche produit un spectre continu de couleurs, du violet au rouge :
Couleur
Longueur d’onde approximative
Violet
380 – 450 nm
Bleu
450 – 495 nm
Vert
495 – 570 nm
Jaune
570 – 590 nm
Orange
590 – 620 nm
Rouge
620 – 780 nm
Au-delà du visible : infrarouges et ultraviolets
Propriété
De part et d’autre du spectre visible, il existe des rayonnements invisibles :
Infrarouges (IR) : longueur d’onde supérieure à 780 nm. Associés à la chaleur (radiateurs, caméras thermiques).
Ultraviolets (UV) : longueur d’onde inférieure à 380 nm. Émis par le Soleil, les lampes UV, les arcs de soudure.
Dangers des rayonnements
UV : brûlures de la peau (coups de soleil), lésions de la cornée et de la rétine. Dangers liés à la soudure à l’arc et à certaines lampes industrielles. Protections : lunettes anti-UV, masque de soudure, crème solaire.
IR intenses : risque de brûlures thermiques de la peau et de l’œil (verriers, fondeurs).
Laser : faisceau concentré, monochromatique et peu divergent. Même un laser de classe 2 (pointeur) peut endommager la rétine en cas d’exposition prolongée. Ne jamais diriger un laser vers les yeux.
5. Synthèse additive des couleurs
Définition
La synthèse additive consiste à superposer des lumières colorées pour obtenir de nouvelles couleurs. Elle utilise trois couleurs primaires : Rouge (R), Vert (V) et Bleu (B).
Propriété — Mélanges de lumières
Trois lumières colorées (rouge, vert, bleu) suffisent pour créer toutes les couleurs :
Superposition
Couleur obtenue
Rouge + Vert
Jaune
Rouge + Bleu
Magenta
Vert + Bleu
Cyan
Rouge + Vert + Bleu
Blanc
Attention
Ne pas confondre synthèse additive (superposition de lumières → écrans, projecteurs) et synthèse soustractive (mélange de pigments/peintures → impression, peinture). En synthèse additive, la superposition de toutes les couleurs donne du blanc ; en synthèse soustractive, le mélange de toutes les couleurs donne du noir.
Exemple — Éclairage d’atelier et signalétique
Les écrans LED et les panneaux lumineux de signalétique fonctionnent par synthèse additive : chaque pixel est composé de trois sous-pixels (rouge, vert, bleu) dont l’intensité varie pour produire la couleur souhaitée. Les feux de signalisation en atelier (vert = fonctionnement normal, rouge = arrêt/danger) utilisent des LED monochromatiques.
Exemple — Éclairage d’atelier
Un bon éclairage d’atelier utilise des lampes à lumière blanche (température de couleur 4 000 à 5 000 K) pour voir les couleurs réelles des matériaux. Un éclairage trop jaune ou trop bleu fausse la perception des teintes, ce qui pose problème pour le travail de finition (vernis, peinture, placage).
6. Applications professionnelles de l’optique
Le laser de niveau
Utilisé quotidiennement sur les chantiers, le laser de niveau projette un trait lumineux horizontal ou vertical parfaitement droit. Il repose sur la propagation rectiligne de la lumière. Les modèles rotatifs utilisent un miroir tournant pour projeter un plan lumineux à 360°.
Sécurité laser
Les lasers de chantier sont généralement de classe 2 (puissance < 1 mW, visible). Le réflexe de fermeture des paupières protège normalement l’œil. Cependant :
Ne jamais regarder directement dans le faisceau.
Ne jamais pointer le laser vers le visage d’une personne.
Pour les lasers de classe supérieure (gravure, découpe), des lunettes de protection spécifiques sont obligatoires.
Signalétique lumineuse
En atelier et sur chantier, la signalétique utilise des couleurs normalisées :
Rouge : danger, arrêt, interdiction.
Orange/Jaune : avertissement, attention.
Vert : sécurité, fonctionnement normal, sortie de secours.
Bleu : obligation (port d’EPI).
7. À retenir
Application rapide
Un écran LED de signalétique doit afficher du cyan. Quelles couleurs primaires doivent être allumées ? (Rappel : synthèse additive RVB)
Cyan = Vert + Bleu. La LED rouge est éteinte.
Erreurs fréquentes à éviter
Confondre synthèse additive et soustractive : la synthèse additive (lumières) donne du blanc en combinant R + V + B. La synthèse soustractive (peintures/pigments) donne du noir en mélangeant toutes les couleurs.
Croire que l'angle se mesure par rapport à la surface : les angles d'incidence, de réflexion et de réfraction se mesurent toujours par rapport à la normale (perpendiculaire à la surface).
Penser que les UV sont inoffensifs car invisibles : l'invisibilité ne signifie pas l'absence de danger. Les UV sont plus énergétiques que le visible et provoquent des brûlures cutanées et oculaires.
Négliger la sécurité laser parce que le faisceau semble faible : même un laser de classe 2 peut endommager la rétine en cas d'exposition volontaire et prolongée. La règle absolue : ne jamais regarder dans le faisceau.
À retenir
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène.
Loi de la réflexion : l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence (\(r = i\)).
Réfraction : la lumière change de direction en passant d’un milieu à un autre. L’angle de réfraction dépend de l’indice du milieu : plus l’indice est élevé, plus le rayon se rapproche de la normale.
La lumière blanche se décompose en un spectre continu (violet → rouge).
Les UV et les IR sont des rayonnements invisibles. Les UV sont dangereux pour les yeux et la peau.
La synthèse additive (RVB) permet de créer toutes les couleurs en superposant des lumières rouge, verte et bleue. R + V + B = blanc.
Le laser émet un faisceau monochromatique, concentré et peu divergent. Ne jamais le diriger vers les yeux.