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  • Premire S Sciences Physiques Cours

    Chapitre 2

    1

    La physique des couleurs

    Les toiles, les lampes, les lasers sont des sources de lumire ; la Lune, lcran de cinma ou la plupart des

    objets qui nous entourent diffusent la lumire quils reoivent. La couleur est une sensation optique qui peut

    tre dcrite physiquement : voyons comment.

    Sources (primaires) de lumire

    Lumire monochromatique, lumire polychromatique

    La lumire mise par une source peut tre analyse par un prisme ou par un rseau

    - Si la lumire nest pas dcompose, elle est monochromatique et correspond une radiation unique. - Si la lumire est dcompose, elle est polychromatique : cest un ensemble de plusieurs radiations.

    La lumire laser ( gauche) est monochromatique : elle nest pas

    disperse par le prisme, au contraire de la lumire blanche ( droite). Le rseau est une simple diapositive grave finement

    (530 traits/mm ici) : comme le prisme, il disperse la

    lumire blanche.

    1.2 Longueur donde dans le vide dune radiation lumineuse

    La lumire fait partie des ondes lectromagntiques.

    Sa vitesse de propagation dans le vide ou dans lair est c = 3,00.108 m.s

    1.

    Chaque radiation peut tre caractrise par sa longueur donde dans le vide note exprime en mtres

    (voir chap. 3). Lil humain est un rcepteur qui nest sensible qu des radiations dont la longueur donde

    est comprise entre 400 nm et 800 nm : la couleur dune lumire visible est ainsi caractrise par .

    Les UV ou les infrarouges sont galement des ondes lectromagntiques, mais ne sont pas visibles par lil

    humain.

    1.3 Synthse additive des couleurs-lumire

    La lumire blanche contient une infinit de radiations diffrentes qui ne sont pas distingues par lil,

    comme si elles taient superposes. Au XIXme

    sicle, le physicien anglais Thomas Young montre quil nest

    pas ncessaire dajouter toutes les lumires colores du spectre pour former de la lumire blanche : un cran

    blanc clair de trois faisceaux de lumire de couleur rouge, verte et bleue semble diffuser de la lumire

    blanche : cest parce que le cerveau opre une synthse additive des lumires reues par lil.

    La suppression de lun des faisceaux fait apparatre une nouvelle couleur, appele couleur complmentaire

    de la couleur manquante.

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    Couleur supprime Couleur complmentaire

    Rouge Cyan

    Bleu Jaune

    Vert Magenta

    Ainsi, les couleurs complmentaires sont obtenues en superposant deux

    faisceaux de mme intensit lumineuse : en modifiant ces intensits, on

    peut obtenir la plupart des couleurs.

    A la fin du XVIIme

    sicle, Isaac Newton trace le premier

    cercle chromatique : sur cette reprsentation, les couleurs

    complmentaires sont diamtralement opposes.

    1.4 Couleur des corps chauffs

    Un corps dense met un rayonnement lectromagntique que lon appelle rayonnement thermique ; le

    spectre de ce rayonnement est continu et dpend de la temprature du corps.

    Plus lintensit du courant qui le

    traverse est leve, plus le filament de

    lampoule est chaud. La lumire quil

    met senrichit alors de radiations de

    faible longueur donde (bleu, violet).

    Tout comme le filament, le corps humain est chauff,

    mais une temprature beaucoup plus basse : le

    spectre de la lumire quil met est principalement

    constitu de radiations dans le domaine infrarouge.

    Limagerie par thermographie utilise des camras

    sensibles aux infrarouges pour identifier les zones de

    tempratures diffrentes au niveau du corps, mais aussi

    dune maison (dtermination des flux thermiques, bilan

    disolation).

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    Ds 1893, Wilhelm Wien (1864-1928) montre exprimentalement que le spectre continu du rayonnement

    thermique mis par un corps la temprature T a une intensit maximale pour une longueur donde max

    donne par la relation 3

    max 2,90.10 .T K m avec T(K) = (C) + 273 temprature absolue en kelvins

    Cette relation, comme celle de Boyle-Mariotte entre pression et volume dun gaz, traduit que max est

    inversement proportionnel T : plus le corps est chaud, plus sa longueur donde dintensit maximale est

    faible.

    La loi de Wien nest pas suffisante pour prvoir la

    couleur dun corps chauff : cette couleur dpend

    de lensemble des radiations visibles mises.

    En 1900, Max Planck a montr quil est possible de

    calculer lintensit du rayonnement thermique mis

    par un corps idal (appel corps noir) pour une

    temprature donne : les courbes correspondantes

    permettent de prsumer la couleur de ce corps.

    Certains corps rels ont un comportement qui se

    rapproche de ce modle de corps noir : cest le cas,

    par exemple, des toiles.

    Ainsi, la plupart des toiles mettent de la lumire

    blanche, mais avec une dominante caractristique

    de leur temprature de surface : Btelgeuse parat

    rougetre, Rigel bleute

    1.5 Sources de lumire courantes

    Btelgeuse (-Orionis) est une toile gante

    vieillissante dont la temprature de surface atteint les

    3 000 K : son maxima dintensit est situ dans le

    domaine infrarouge, et elle apparat blanche-rougetre.

    Rigel (-Orionis) est une toile supergante jeune dont

    la temprature de surface de 10 000 K.

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    2 (Sources) secondaires de lumire : couleur des objets

    2.1 Absorption, transmission, diffusion

    Les objets qui nous entourent sont visibles car ils nous envoient de la lumire ; cette lumire provient

    gnralement dune source extrieure : Soleil, lampe, etc.

    Lorsquil reoit de la lumire, un objet peut

    labsorber, cest--dire ne pas la renvoyer

    la transmettre si la lumire peut le traverser (filtres, solutions transparentes)

    la diffuser, cest--dire la renvoyer dans toutes les directions La plupart des objets opaques diffusent une partie de la lumire reue et absorbent le reste.

    2.2 Synthse soustractive des couleurs-matire

    Les objets nont pas de couleur par eux-mmes. Ce que lon en voit dpend

    de la nature de la lumire incidente,

    de labsorption et de la diffusion quil en fait

    de la synthse des lumires reues par lil

    Ainsi, un objet qui parat blanc a la proprit de diffuser de manire quivalente toutes les couleurs du

    spectre ; un objet est dit noir sil absorbe toutes les radiations.

    Prenons lexemple dun objet rouge : un extincteur.

    Sil est dit rouge, cest quclair en lumire blanche, il diffuse la lumire rouge (celle que lon observe) et quil absorbe les

    lumires verte et bleue.

    Eclair en lumire verte ou bleue, il parat noir : il absorbe cette lumire et ne diffuse rien car il ne reoit pas de lumire

    rouge.

    Eclair en lumire jaune (rouge et verte), il paratra rouge : la lumire verte est absorbe, et seule la lumire rouge est

    diffuse.

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    Les filtres colors (ou les solutions transparentes) se comportent comme les objets diffusants.

    Les filtres rouge, vert et bleu ne transmettent quun couleur : ce sont des filtres primaires. Ainsi, un filtre

    bleu ne transmet que la lumire bleue et absorbe les

    radiations verte et rouge.

    Les filtres jaune, cyan et magenta transmettent deux des trois couleurs : ce sont des filtres secondaires. Le filtre jaune absorbe toute la lumire bleue (sa couleur complmentaire) et laisse

    passer les lumires rouge et verte.

    On parle alors de synthse soustractive : la couleur est obtenue en

    retirant des lumires colores la lumire incidente. La figure ci-

    contre considre trois filtres de mme pouvoir absorbant. On

    obtient la plupart des couleurs en modifiant le pouvoir absorbant

    des filtres.

    3 Reproduction et vision des couleurs

    3.1 Couleur perue et couleur spectrale

    Les lumires colores et la lumire blanche que nous percevons peuvent tre obtenues par synthse

    trichromatique partir des lumires rouge, verte et bleue (RVB) correctement choisies.

    Si un cran est clair avec une lumire L, il est

    possible dobtenir une lumire L produisant la

    mme sensation colore partir de sources de

    lumire rouge, verte et bleue : pourtant, les spectres

    de ces deux lumires L et L peuvent ne pas tre

    identiques !

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    Ce principe est luvre dans la comparaison entre la lumire mise par une lampe incandescence

    (rayonnement thermique continu) et par une lampe conomie dnergie (lampe spectrale).

    Spectre dune ampoule halogne

    Toutes les couleurs du spectre sont prsentes.

    Spectre dune ampoule fluocompacte

    Seules quelques couleurs sont prsentes : cest le cerveau qui ralise la synthse additive de ces couleurs.

    3.2 Mcanisme de vision des couleurs

    Lorsque la lumire pntre dans lil, elle atteint la rtine qui contient des cellules rceptrices : les cnes et

    les btonnets.

    Les btonnets sont sensibles aux lumires de faible intensit

    mais ne permettent pas de percevoir les couleurs. Les cnes,

    essentiellement concentrs dans la zone appele fova, sont

    de trois types sensibles principalement au rouge, au vert et

    au bleu, condition que lintensit lumineuse soit

    suffisante.

    Cest laddition des signaux produits par lexcitation des diffrents types de cnes qui va