Lumière, couleurs et photodétecteurs | 2nde Bac Pro | Physique-Chimie
La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations colorées visibles. Le spectre visible s'étend de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge).
Un prisme ou un réseau décompose la lumière blanche en ses couleurs constitutives : c'est la dispersion.
L'ordre du spectre, du plus violet au plus rouge : violet – indigo – bleu – vert – jaune – orange – rouge.
En dehors du spectre visible :
Un électricien fait passer de la lumière blanche à travers un prisme en verre. Il observe un spectre coloré sur un écran. Répondre aux questions :
Un installateur de système d'éclairage LED utilise des diodes qui émettent dans l'ultraviolet (\(\lambda = 365\ \text{nm}\)) pour désinfecter des surfaces. Cette lumière est-elle visible ? Justifier en comparant avec le spectre visible.
\(365\ \text{nm} < 380\ \text{nm}\) : cette longueur d'onde est en dehors du spectre visible, dans le domaine des ultraviolets. Cette lumière est invisible à l'œil nu.
Une télécommande de télévision émet dans l'infrarouge à \(\lambda = 940\ \text{nm}\). Comparer cette valeur avec les limites du spectre visible et conclure.
\(940\ \text{nm} > 780\ \text{nm}\) : cette longueur d'onde est au-delà du rouge visible, dans le domaine des infrarouges. Le signal émis par la télécommande est invisible à l'œil humain.
| Couleur | Longueur d'onde \(\lambda\) (nm) |
|---|---|
| Violet | 380 – 450 |
| Bleu | 450 – 490 |
| Vert | 490 – 560 |
| Jaune | 560 – 590 |
| Orange | 590 – 625 |
| Rouge | 625 – 780 |
Identifier la couleur correspondant à chaque longueur d'onde :
Une LED rouge standard émet à \(\lambda = 660\ \text{nm}\). Une LED bleue émet à \(\lambda = 450\ \text{nm}\). Laquelle a la plus grande énergie par photon ? (Rappel : l'énergie d'un photon est \(E = hc/\lambda\), donc plus \(\lambda\) est petit, plus l'énergie est grande.)
La LED bleue (\(\lambda = 450\ \text{nm}\)) a une longueur d'onde plus courte. Donc chaque photon bleu porte plus d'énergie que chaque photon rouge (\(\lambda = 660\ \text{nm}\)).
Un installateur d'enseignes lumineuses utilise des tubes à décharge. L'un émet à 589 nm (vapeur de sodium) et l'autre à 640 nm (néon). Identifier les couleurs émises.
Remarque : les "tubes néon" du commerce contiennent souvent d'autres gaz ou des poudres fluorescentes, pas uniquement du néon.
Un filtre coloré transmet les radiations de sa propre couleur et absorbe les autres.
Si on superpose deux filtres, seules les radiations transmises par les deux filtres passent. Si les filtres sont de couleurs complémentaires, aucune lumière ne passe → noir.
De la lumière blanche traverse un filtre rouge. Décrire ce qui se passe et indiquer la couleur de la lumière transmise.
Le filtre rouge absorbe les radiations bleues et vertes, et transmet uniquement les radiations rouges. La lumière qui ressort est donc de couleur rouge.
Un photographe superpose un filtre rouge et un filtre vert sur son objectif. Quelle couleur observe-t-il sur la photo ? Justifier.
Le filtre rouge ne transmet que le rouge (absorbe bleu et vert). Le filtre vert ne transmet que le vert (absorbe rouge et bleu). En superposant les deux :
Aucune radiation ne passe : la photo apparaît noire.
Un menuisier agenceur choisit un éclairage avec un filtre bleu pour illuminer une pièce peinte en blanc. Quelle couleur aura la pièce sous cet éclairage ? Et si la pièce est peinte en rouge ?
Pièce blanche : une surface blanche réfléchit toutes les couleurs. Sous éclairage bleu, seule la lumière bleue est disponible, donc la pièce paraît bleue.
Pièce rouge : une surface rouge absorbe le bleu et le vert, et ne réfléchit que le rouge. Sous éclairage bleu, il n'y a pas de rouge à réfléchir : la pièce paraît noire.
Un technicien installe un écran de vidéoprojection. L'écran émet de la lumière en mélangeant des pixels rouge, vert et bleu. Quel type de synthèse utilise-t-il ? Quelle couleur apparaît si tous les pixels sont au maximum ?
Il s'agit de la synthèse additive (mélange de lumières).
Rouge + Vert + Bleu au maximum = blanc.
Un imprimeur utilise des encres cyan, magenta et jaune pour imprimer une affiche. Quel type de synthèse est utilisé ? Quelle couleur obtient-on en mélangeant les trois encres en quantités égales ?
Il s'agit de la synthèse soustractive (mélange de pigments/encres qui soustraient des couleurs à la lumière blanche).
Cyan + Magenta + Jaune = noir (en théorie) — en pratique, les encres donnent un brun foncé, d'où l'ajout d'une encre noire (N) dans l'impression CMJN.
En synthèse additive, déterminer la couleur obtenue par les mélanges suivants :
Un peintre en bâtiment mélange de la peinture jaune et de la peinture cyan pour obtenir une teinte. Quel type de synthèse réalise-t-il ? Quelle couleur obtient-il ?
Il réalise une synthèse soustractive (mélange de pigments).
Jaune + Cyan = vert. (Le jaune absorbe le bleu, le cyan absorbe le rouge : il ne reste que le vert à être réfléchi.)
Un photodétecteur est un composant électronique qui convertit la lumière en signal électrique.
Un installateur de systèmes domotiques utilise une photorésistance pour déclencher l'éclairage extérieur à la tombée de la nuit. La résistance de la LDR est de 100 Ω en plein jour et de 10 MΩ dans l'obscurité.
Un électricien installe une télécommande de portail utilisant une photodiode infrarouge. La photodiode reçoit un signal infrarouge à \(\lambda = 940\ \text{nm}\).
Un installateur de panneaux photovoltaïques explique que des cellules solaires convertissent la lumière du soleil en électricité. Sur quel principe physique repose une cellule solaire ? Préciser le type de photodétecteur utilisé.
Une cellule solaire (ou cellule photovoltaïque) est une grande photodiode. Elle repose sur l'effet photovoltaïque dans un semi-conducteur (le silicium en général) : les photons de la lumière solaire fournissent de l'énergie aux électrons du matériau, créant des paires électron-trou à la jonction p-n et ainsi un courant électrique continu.
Compléter le tableau suivant en associant chaque capteur à ses caractéristiques :
| Capteur | Signal produit | Application typique |
|---|---|---|
| Photorésistance (LDR) | ? | ? |
| Photodiode | ? | ? |
| Cellule photovoltaïque | ? | ? |
| Capteur | Signal produit | Application typique |
|---|---|---|
| Photorésistance (LDR) | Variation de résistance | Éclairage automatique, réveil lumineux |
| Photodiode | Courant électrique | Réception IR (télécommande), fibre optique |
| Cellule photovoltaïque | Tension et courant électrique | Panneau solaire, calculatrice |
Modèle de l'œil : l'œil se comporte comme un appareil photo : le cristallin (lentille convergente) forme une image renversée sur la rétine (capteur). L'œil réalise une synthèse additive des couleurs grâce à 3 types de cônes (rouge, vert, bleu).
Photon : la lumière transporte de l'énergie sous forme de photons. L'énergie d'un photon dépend de sa longueur d'onde : \(E = \frac{hc}{\lambda}\) avec \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\) J·s et \(c = 3 \times 10^8\) m/s. Plus \(\lambda\) est petit (violet), plus le photon est énergétique.
L'œil humain possède 3 types de cônes sensibles au rouge, au vert et au bleu.
Calculer l'énergie d'un photon pour chaque longueur d'onde. Données : \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\) J·s, \(c = 3 \times 10^8\) m/s.
Un photon de lumière verte a une longueur d'onde \(\lambda = 550\text{ nm}\).
Donnée : \(E = \dfrac{h \times c}{\lambda}\) avec \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\text{ J·s}\) et \(c = 3 \times 10^8\text{ m/s}\).