Nature de la lumière

1.Introduction:

. On appelle onde une perturbation qui se propage dans l'espace.

. Le son est une onde qui peut se propager dans les gaz, dans les liquides et dans les solides mais pas dans le vide. Pour le son, la perturbation qui se propage est la compression des molécules dans le corps en question.

. La houle est une onde, la perturbation est l'altitude positive ou négative de l'eau par rapport à sa position horizontale d'équilibre.

. Une onde ne charrie pas de matière: le son n'est pas un vent, un bouchon de pêche n'est pas transporté horizontalement par les vagues.

. La vitesse d'un onde est plutôt appelée célérité car on préfère parler de vitesse pour un objet qui se déplace (projectile).

. Deux phénomènes sont caractétistiques des ondes: la diffraction et les interférences.

. La lumière est une onde électromagnétique, c'est à dire un champ électrique et un champ magnétique qui se propagent dans l'espace.

2.Caractéristiques de la lumière (vitesse ou célérité, longueur d'onde, période, fréquence).

. La lumière est une onde. La grandeur qui se propage est un champ électromagnétique

. La lumière peut se propager dans le vide et dans la matière.

. Dans le vide et dans les milieux homogènes, la lumière se propage en ligne droite. Les rayons lumineux sont des segments de droite.

. La célérité c d'une onde est définie par l'expression:

d est la distance ( m, km,...) parcourue pendant la durée t (s, h,...).

Pour la lumière, cette célérité est tellement grande qu'on l'exprime en km/s que l'on doit prononcer kilomètres par seconde et noter de préférence km.s^-1. La célérité de la lumière dans le vide est une constante fondamentale de la Physique, elle vaut:

c = 299 792,458 km.s^-1

. On arrondit souvent la célérité de la lumière à c = 300 000 km.s^-1.

. Elle est indépendante de la couleur de la lumière. Les informations "violettes" nous arrivent de la galaxie d'Andromède en même temps que les informations "rouges". On dit que le vide est non dispersif.

. L'année-lumière (a.l.) est la distance parcourue par la lumière en une année:

une année-lumière =  9,460.10¹² km ou 9 460 milliards de kilomètres.

. Dans la matière (solides, liquides ou gaz), la lumière se déplace moins vite que dans le vide et cette célérité dépend de la couleur de la lumière. On dit que les milieux matériels sont dispersifs. Pour le son, qui est une onde, cela se traduirait par le fait que, lors d'un concert par exemple, les notes graves n'arriveraient pas en même temps que les notes aigües.

. On définit l'indice de réfraction n d'un milieu par la relation:  

L'indice de réfraction n est un nombre positif, sans unité et toujours supérieur à 1 puisque v < c.

Comme indiqué plus haut, il dépend de la couleur. S'il est donné sans indication, c'est pour la lumière jaune.

Plus n est grand, plus le milieu est qualifié de réfringent. Le diamant est le milieu le plus réfringent.

. La longueur d'onde est la distance entre deux maxima successifs de l'onde à un instant donné. Pour la houle, ce serait la distance entre 2 crêtes successives.

. C'est la longueur d'onde qui fait la couleur d'une lumière.

Le violet a une longueur d'onde plus courte que le rouge.

. La période T est la plus petite durée que met l'onde pour reprendre, en un même point, la même valeur maximale. Pour la houle, ce serait la durée que mettrait un bouchon de pêche pour reprendre la même altitude maximale.

. Il existe une relation très importante entre période T et longueur d'onde :

La longueur d'onde représente la distance parcourue par l'onde en une période.

. La fréquence est le nombre de périodes par seconde. Période et fréquence sont, l'une l'autre, inversement proportionnelles c'est à dire que si l'une est multipliée par x, l'autre est divisée par x et inversement.

Si la période est en secondes, la fréquence est en s^-1 qu'on appelle hertz (symbole Hz). On en déduit les relations:

. Les fréquences des ondes lumineuses visibles sont extrêmement grandes, de l'ordre de 10¹⁴ Hz. (  10¹⁴ =  10⁵ x 10⁹ = 100 000 milliards).

Faisons le calcul pour un jaune moyen ( = 560 nm).On obtient: