Physique–Chimie — 2nde Bac Pro — Année 2025–2026

Chapitre 14 — Lumière, couleurs et photodétecteurs

Menuiserie • Agencement • Ameublement

Dernière mise à jour : 24 avril 2026

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Objectifs du chapitre

Situation professionnelle — Éclairage d'un showroom de meubles

Un aménageur d'intérieur conçoit l'éclairage d'un showroom de mobilier en bois : il doit choisir des sources LED à la bonne température de couleur pour mettre en valeur les teintes du bois, et dimensionner l'éclairement des zones de présentation selon les normes du commerce de détail.

1. Introduction — La lumière en atelier

En menuiserie, agencement et ameublement, l’éclairage joue un rôle essentiel à plusieurs niveaux :

Exemple concret
Un client choisit un plan de travail en chêne clair sous un éclairage fluorescent à la boutique. Une fois installé chez lui sous des spots halogènes, la teinte semble beaucoup plus jaune–dorée. Ce phénomène est dû à la température de couleur et à l’indice de rendu des couleurs (IRC) différents selon les sources.

Comparaison rapide des sources lumineuses

Trois grandes familles de lampes coexistent dans les ateliers et showrooms :

Point clé
Pour la finition du bois (teinture, lasure, peinture), choisir une source avec un IRC ≥ 90 est indispensable pour ne pas se tromper de couleur. Un IRC < 80 peut fausser la perception des teintes et entraîner des défauts de qualité sur les pièces finies.

2. Nature de la lumière

Définition
La lumière visible est un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 380 nm et 780 nm (1 nm = 10−9 m). C’est la seule partie du spectre électromagnétique détectable par l’œil humain.

La longueur d’onde détermine la couleur

Couleur Longueur d’onde (λ) Aperçu
Violet 380 – 450 nm
Bleu 450 – 495 nm
Vert 495 – 570 nm
Jaune 570 – 590 nm
Orange 590 – 620 nm
Rouge 620 – 780 nm

Relation entre célérité, longueur d’onde et fréquence

\( c = \lambda \times f \) \(c\) : célérité de la lumière dans le vide \(= 3 \times 10^8\) m/s — \(\lambda\) : longueur d’onde en mètres (m) — \(f\) : fréquence en hertz (Hz)

Plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence est élevée (et l’énergie du photon plus grande). La lumière violette est donc plus énergétique que la lumière rouge.

Spectre visible — représentation

380 nm 450 nm 495 nm 570 nm 620 nm 780 nm Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge

Spectre visible — de 380 nm (violet) à 780 nm (rouge)

Application

La lumière verte utilisée dans un éclairage LED de showroom a une longueur d'onde de λ = 535 nm.

  1. Rappeler la relation entre célérité de la lumière, longueur d'onde et fréquence.
  2. Convertir 535 nm en mètres.
  3. Calculer la fréquence f de cette lumière. Exprimer le résultat en terahertz (THz).

Donnée : c = 3,00 × 108 m/s.

1. La relation fondamentale est : \(c = \lambda \times f\), donc \( f = \dfrac{c}{\lambda} \).

2. Conversion : \(\lambda = 535 \text{ nm} = 535 \times 10^{-9} \text{ m} = 5{,}35 \times 10^{-7} \text{ m}\).

3. Calcul de la fréquence :

\( f = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{5{,}35 \times 10^{-7}} \approx 5{,}61 \times 10^{14} \text{ Hz} = \mathbf{561 \text{ THz}} \)

La lumière verte à 535 nm a une fréquence d'environ 561 THz. Elle appartient bien à la plage du vert (495–570 nm).

3. Lumière blanche et couleurs

Propriété
La lumière blanche est la superposition de toutes les radiations du spectre visible. Newton l’a démontré en 1666 en faisant passer un faisceau de lumière solaire à travers un prisme : le prisme décompose la lumière blanche en arc-en-ciel (dispersion chromatique). Un second prisme inverse le phénomène et reconstitue la lumière blanche.

3.1 Synthèse additive (RGB)

Définition
La synthèse additive consiste à additionner des lumières colorées. Les trois couleurs primaires additives sont le Rouge (R), le Vert (G — Green) et le Bleu (B). Ce système s’applique aux écrans, aux projecteurs et aux éclairages LED colorés.

Règles de mélange en synthèse additive :

Rouge Vert Bleu Jaune Magenta Cyan Blanc

Synthèse additive — superposition de lumières RGB

Application en atelier
Les éclairages LED RGB utilisés dans les showrooms de meubles fonctionnent sur le principe de la synthèse additive. En faisant varier l’intensité des LED rouge, verte et bleue, on obtient n’importe quelle teinte d’éclairage pour mettre en valeur différents types de bois ou de revêtements.

3.2 Synthèse soustractive (CMJ)

Définition
La synthèse soustractive s’applique lorsque l’on mélange des matières colorées (peintures, encres, teintures). Chaque pigment absorbe (soustrait) certaines longueurs d’onde. Les couleurs primaires soustractives sont le Cyan (C), le Magenta (M) et le Jaune (J / Yellow).

Règles de mélange en synthèse soustractive :

Application en atelier
Ne pas confondre
Synthèse additive : on ajoute de la lumière (fond noir → blanc). Utilisée pour les écrans et l’éclairage LED coloré.
Synthèse soustractive : on retire des longueurs d’onde (fond blanc → noir). Utilisée pour les peintures, teintures et impressions.

4. Sources lumineuses en atelier

4.1 Tableau comparatif des sources

Type de source Température de couleur IRC Efficacité (lm/W) Durée de vie
Incandescente 2 700 K 100 15 1 000 h
Halogène 3 000 K 99 25 2 000 h
Fluorescente (néon) 4 000 K 85 70 8 000 h
LED standard 2 700 – 6 500 K 80 – 90 100 – 130 25 000 h
LED haute performance 2 700 – 5 000 K 90 – 98 140 – 180 50 000 h

4.2 Température de couleur

Définition
La température de couleur, exprimée en Kelvin (K), caractérise la teinte de la lumière émise par une source. Plus la valeur est élevée, plus la lumière est « froide » (bleutée). Plus elle est basse, plus la lumière est « chaude » (jaunâtre).
Plage en K Type Usage recommandé en atelier
2 700 – 3 000 K Blanc chaud Showroom, ambiance, exposition de meubles
3 000 – 4 000 K Blanc neutre Espaces de vente, accueil client
4 000 – 5 000 K Blanc froid Atelier, contrôle qualité
5 000 – 6 500 K Lumière du jour Finition, cabine de peinture, correspondance couleur

4.3 Indice de Rendu des Couleurs (IRC / CRI)

Définition
L’Indice de Rendu des Couleurs (IRC), appelé aussi CRI en anglais (Color Rendering Index), mesure la capacité d’une source lumineuse à restituer fidèlement les couleurs des objets éclairés. Il varie de 0 à 100. Un IRC de 100 correspond à la lumière du soleil.
Méthode
Pour choisir l’éclairage d’un poste de finition :
  1. Vérifier que l’IRC ≥ 90 (idéalement 95 ou plus).
  2. Choisir une température de couleur de 5 000 K (lumière du jour) pour la correspondance des couleurs.
  3. S’assurer d’un éclairement ≥ 750 lux sur le plan de travail.
  4. Privilégier les LED haute performance (meilleure efficacité énergétique et grande durée de vie).

5. Les photodétecteurs

Définition
Un photodétecteur est un composant électronique qui convertit un signal lumineux en signal électrique. La grandeur électrique produite (tension, courant ou résistance) varie en fonction de l’éclairement reçu par le composant.

5.1 La LDR (Light Dependent Resistor — Photorésistance)

Principe
La LDR (photorésistance) est un composant dont la résistance diminue quand l’éclairement augmente. Elle est fabriquée en sulfure de cadmium (CdS). En obscurité totale, sa résistance peut atteindre plusieurs mégaohms ; en pleine lumière, elle tombe à quelques centaines d’ohms.

Valeurs typiques : 1 kΩ (lumière) – 1 MΩ (obscurité). Temps de réponse lent (quelques millisecondes à quelques secondes).

5.2 La photodiode

Principe
La photodiode est une diode semiconductrice qui génère un courant électrique proportionnel à l’éclairement reçu. Elle est très rapide (temps de réponse de l’ordre de la nanoseconde) et précise. Elle est montée en sens inverse (polarisation inverse). Très utilisée dans les télécommandes infrarouges et les barrières optiques.

5.3 Le phototransistor

Principe
Le phototransistor fonctionne comme un transistor dont la base est commandée par la lumière. Il fournit un courant amplifié comparé à la photodiode, ce qui le rend utile dans les circuits d’alarme et de détection de présence où l’on a besoin d’un signal plus puissant.

5.4 Les capteurs d’image CCD et CMOS

Principe
Les capteurs CCD (Charge-Coupled Device) et CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sont des matrices de millions de photodiodes organisées en pixels. Ils capturent une image entière. Ils équipent les caméras numériques, téléphones et systèmes de vision industrielle.

5.5 Tableau comparatif

Photodétecteur Grandeur électrique Caractéristique principale Applications en atelier
LDR Résistance (kΩ) R diminue avec la lumière — 1 kΩ à 1 MΩ — réponse lente Éclairage automatique atelier, veilleuse
Photodiode Courant (µA) Courant proportionnel à l’éclairement — très rapide (ns) Barrière optique machine, télécommande IR
Phototransistor Courant amplifié (mA) Signal amplifié — réponse rapide — plus sensible que photodiode Détection de présence, comptage pièces
CCD / CMOS Image numérique Matrice de pixels — haute résolution — traitement logiciel Contrôle qualité par vision, caméra atelier

5.6 Applications concrètes en atelier de menuiserie

Exemples d’application
Application

Une LDR est utilisée pour commander l'éclairage automatique d'un atelier. Elle est montée en série avec une résistance fixe de R = 10 kΩ et alimentée par une tension U = 12 V (pont diviseur de tension). La tension UR est mesurée aux bornes de la résistance fixe.

  1. Rappeler la formule du pont diviseur de tension.
  2. Calculer la tension UR aux bornes de la résistance fixe en obscurité.
  3. Calculer la tension UR aux bornes de la résistance fixe en pleine lumière.
  4. Dans quel cas UR est-elle suffisante pour activer un système commandé à partir de 5 V ? Interpréter.

1. Formule du pont diviseur : \( U_R = U \times \dfrac{R}{R + R_{\text{LDR}}} \).

2. En obscurité (RLDR = 100 kΩ) :

\( U_R = 12 \times \dfrac{10}{10 + 100} = 12 \times \dfrac{10}{110} \approx \mathbf{1{,}09 \text{ V}} \)

3. En pleine lumière (RLDR = 1 kΩ) :

\( U_R = 12 \times \dfrac{10}{10 + 1} = 12 \times \dfrac{10}{11} \approx \mathbf{10{,}9 \text{ V}} \)

4. UR > 5 V uniquement en pleine lumière (10,9 V > 5 V). En obscurité, UR = 1,09 V : le système n'est pas activé.
Interprétation : en inversant la logique de commande, on peut programmer l'éclairage pour s'allumer quand il fait sombre (UR basse ⇒ seuil non atteint ⇒ relais activé).

6. Éclairement et flux lumineux

6.1 Définitions

Définition — Flux lumineux
Le flux lumineux Φ (phi), exprimé en lumen (lm), représente la puissance totale lumineuse émise par une source, pondérée par la sensibilité de l’œil humain. Une ampoule LED de 9 W émet typiquement 800 lm.
Définition — Éclairement
L’éclairement E, exprimé en lux (lx), est le flux lumineux reçu par unité de surface. Il dépend à la fois du flux émis par la source et de la distance entre la source et la surface éclairée.
\( E = \dfrac{\Phi}{S} \) \(E\) : éclairement en lux (lx) — \(\Phi\) : flux lumineux en lumens (lm) — \(S\) : surface éclairée en mètres carrés (m²)

6.2 Valeurs d’éclairement recommandées

Type de local / tâche Éclairement recommandé
Couloir, zone de circulation 100 – 200 lux
Bureau, salle de réunion 500 lux
Atelier menuiserie général 750 lux
Tâches précises, machines-outils 1 000 lux
Contrôle qualité, finition, cabine de peinture 1 000 – 1 500 lux

6.3 Loi de l’inverse du carré de la distance

Loi physique
L’éclairement produit par une source ponctuelle est inversement proportionnel au carré de la distance entre la source et la surface éclairée. Lorsque la distance double, l’éclairement est divisé par 4.
\( E \propto \dfrac{1}{d^2} \) \(d\) : distance entre la source et la surface (en m) — Si \(d\) double, \(E\) est divisé par 4.
Exemple chiffré
Une lampe produit 1 000 lux à 1 m de distance.
• À 2 m : \( E = 1000 / 2^2 = 250 \) lux.
• À 0,5 m : \( E = 1000 / 0{,}5^2 = 4\,000 \) lux.

En atelier de menuiserie, il est donc préférable de rapprocher les luminaires du plan de travail plutôt que de multiplier le nombre de lampes — mais attention à ne pas éblouir l’opérateur !
Application

Un atelier de menuiserie possède une surface de travail de S = 12 m². La norme recommande un éclairement minimal de E = 750 lux.

  1. Rappeler la formule liant éclairement, flux lumineux et surface.
  2. Calculer le flux lumineux total Φ nécessaire pour respecter la norme.
  3. Combien faut-il de lampes LED de 800 lm chacune pour atteindre ce flux ? Arrondir au nombre entier supérieur.

1. La formule est : \( E = \dfrac{\Phi}{S} \), donc \( \Phi = E \times S \).

2. Application numérique :

\( \Phi = 750 \times 12 = \mathbf{9\,000 \text{ lm}} \)

3. Nombre de lampes :

\( n = \dfrac{9\,000}{800} = 11{,}25 \rightarrow \mathbf{12 \text{ lampes}} \) (valeur arrondie au supérieur)

Application

Un chef d’atelier souhaite équiper son poste de finition. Il dispose d’un espace de 20 m² et veut respecter les contraintes suivantes :

  1. Calculer le flux lumineux total nécessaire Φtotal.
  2. Calculer le flux lumineux nécessaire par lampe (Φlampe).
  3. Des LED de 1 800 lm (IRC 95) sont disponibles. Valident-elles les besoins ? Justifier par le calcul.
  4. Pourquoi est-il essentiel de choisir IRC = 95 pour ce poste de finition ?

1. Flux total nécessaire :

\( \Phi_{\text{total}} = E \times S = 750 \times 20 = \mathbf{15\,000 \text{ lm}} \)

2. Flux par lampe :

\( \Phi_{\text{lampe}} = \dfrac{15\,000}{8} = \mathbf{1\,875 \text{ lm / lampe}} \)

3. Avec 8 lampes de 1 800 lm :

\( \Phi_{\text{total}} = 8 \times 1\,800 = 14\,400 \text{ lm} \)

\( E = \dfrac{14\,400}{20} = 720 \text{ lux} < 750 \text{ lux} \)

Les LED de 1 800 lm sont insuffisantes : l’éclairement obtenu (720 lux) est inférieur à la valeur minimale requise. Il faudrait choisir des LED d’au moins 1 875 lm — par exemple des modèles 2 000 lm pour disposer d’une marge.

4. Un IRC = 95 garantit que la source restitue les couleurs à 95 % de fidélité par rapport à la lumière solaire. Pour la finition du bois, cela assure que la teinte de la lasure ou de la peinture appliquée en atelier correspond exactement à la couleur perçue chez le client. Avec un IRC plus faible, des écarts de teinte pourraient apparaître, entraînant des reprises coûteuses et des litiges commerciaux.

7. Comparaison de l’efficacité lumineuse — Graphique

Le graphique ci-dessous compare l’efficacité lumineuse (en lm/W) des principales technologies d’éclairage. Plus la valeur est élevée, moins la lampe consomme d’énergie pour produire la même quantité de lumière.

8. Diagramme du spectre visible — complété

Le diagramme ci-dessous situe le spectre visible dans le contexte plus large du spectre électromagnétique. Les ultraviolets (UV) se trouvent à gauche (longueurs d’onde < 380 nm) et les infrarouges (IR) à droite (λ > 780 nm). Ces deux régions sont invisibles à l’œil nu mais exploitées dans de nombreux capteurs industriels.

UV IR 380 nm 450 nm 495 nm 570 nm 620 nm 780 nm Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge λ croissante →  |  fréquence décroissante →

Spectre électromagnétique visible entre UV (λ < 380 nm) et IR (λ > 780 nm)

9. À retenir

À retenir
  1. La lumière visible est un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 380 et 780 nm. La relation \(c = \lambda \times f\) relie célérité (\(3 \times 10^8\) m/s), longueur d’onde et fréquence.
  2. Synthèse additive (RGB) pour les éclairages LED colorés et écrans : R+G+B = Blanc. Synthèse soustractive (CMJ) pour les peintures et teintures : C+M+J = Noir. Ce sont deux logiques opposées.
  3. En atelier de menuiserie, choisir une source LED avec IRC ≥ 90 (idéalement 95) est indispensable pour tout travail de finition, teinture ou contrôle de couleur du bois.
  4. L’éclairement E (en lux) se calcule par \(E = \Phi / S\). Il suit la loi de l’inverse du carré de la distance : si on double la distance, l’éclairement est divisé par 4. Un atelier de menuiserie doit disposer de 750 lux minimum.
  5. Les photodétecteurs (LDR, photodiode, phototransistor, CCD/CMOS) transforment la lumière en signal électrique. Ils permettent l’automatisation de l’éclairage, la sécurité des machines et le contrôle qualité par vision en atelier de menuiserie.

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