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Première S Sciences Physiques Cours Chapitre 2 1 La physique des couleurs Les étoiles, les lampes, les lasers sont des sources de lumière ; la Lune, l’écran de cinéma ou la plupart des objets qui nous entourent diffusent la lumière qu’ils reçoivent. La couleur est une sensation optique qui peut être décrite physiquement : voyons comment. Sources (primaires) de lumière Lumière monochromatique, lumière polychromatique La lumière émise par une source peut être analysée par un prisme ou par un réseau - Si la lumière n’est pas décomposée, elle est monochromatique et correspond à une radiation unique. - Si la lumière est décomposée, elle est polychromatique : c’est un ensemble de plusieurs radiations. La lumière laser (à gauche) est monochromatique : elle n’est pas dispersée par le prisme, au contraire de la lumière blanche (à droite). Le réseau est une simple diapositive gravée finement (530 traits/mm ici) : comme le prisme, il disperse la lumière blanche. 1.2 Longueur d’onde dans le vide d’une radiation lumineuse La lumière fait partie des ondes électromagnétiques. Sa vitesse de propagation dans le vide ou dans l’air est c = 3,00.10 8 m.s 1 . Chaque radiation peut être caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide notée exprimée en mètres (voir chap. 3). L’œil humain est un récepteur qui n’est sensible qu’à des radiations dont la longueur d’onde est comprise entre 400 nm et 800 nm : la couleur d’une lumière visible est ainsi caractérisée par . Les UV ou les infrarouges sont également des ondes électromagnétiques, mais ne sont pas visibles par l’œil humain. 1.3 Synthèse additive des couleurs-lumière La lumière blanche contient une infinité de radiations différentes qui ne sont pas distinguées par l’œil, comme si elles étaient superposées. Au XIX ème siècle, le physicien anglais Thomas Young montre qu’il n’est pas nécessaire d’ajouter toutes les lumières colorées du spectre pour former de la lumière blanche : un écran blanc éclairé de trois faisceaux de lumière de couleur rouge, verte et bleue semble diffuser de la lumière blanche : c’est parce que le cerveau opère une synthèse additive des lumières reçues par l’œil. La suppression de l’un des faisceaux fait apparaître une nouvelle couleur, appelée couleur complémentaire de la couleur manquante.

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Première S – Sciences Physiques Cours

Chapitre 2

1

La physique des couleurs

Les étoiles, les lampes, les lasers sont des sources de lumière ; la Lune, l’écran de cinéma ou la plupart des

objets qui nous entourent diffusent la lumière qu’ils reçoivent. La couleur est une sensation optique qui peut

être décrite physiquement : voyons comment.

Sources (primaires) de lumière

Lumière monochromatique, lumière polychromatique

La lumière émise par une source peut être analysée par un prisme ou par un réseau

- Si la lumière n’est pas décomposée, elle est monochromatique et correspond à une radiation unique.

- Si la lumière est décomposée, elle est polychromatique : c’est un ensemble de plusieurs radiations.

La lumière laser (à gauche) est monochromatique : elle n’est pas

dispersée par le prisme, au contraire de la lumière blanche (à droite). Le réseau est une simple diapositive gravée finement

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

lumière blanche.

1.2 Longueur d’onde dans le vide d’une radiation lumineuse

La lumière fait partie des ondes électromagnétiques.

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

1.

Chaque radiation peut être caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide notée exprimée en mètres

(voir chap. 3). L’œil humain est un récepteur qui n’est sensible qu’à des radiations dont la longueur d’onde

est comprise entre 400 nm et 800 nm : la couleur d’une lumière visible est ainsi caractérisée par .

Les UV ou les infrarouges sont également des ondes électromagnétiques, mais ne sont pas visibles par l’œil

humain.

1.3 Synthèse additive des couleurs-lumière

La lumière blanche contient une infinité de radiations différentes qui ne sont pas distinguées par l’œil,

comme si elles étaient superposées. Au XIXème

siècle, le physicien anglais Thomas Young montre qu’il n’est

pas nécessaire d’ajouter toutes les lumières colorées du spectre pour former de la lumière blanche : un écran

blanc éclairé de trois faisceaux de lumière de couleur rouge, verte et bleue semble diffuser de la lumière

blanche : c’est parce que le cerveau opère une synthèse additive des lumières reçues par l’œil.

La suppression de l’un des faisceaux fait apparaître une nouvelle couleur, appelée couleur complémentaire

de la couleur manquante.

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Couleur supprimée Couleur complémentaire

Rouge Cyan

Bleu Jaune

Vert Magenta

Ainsi, les couleurs complémentaires sont obtenues en superposant deux

faisceaux de même intensité lumineuse : en modifiant ces intensités, on

peut obtenir la plupart des couleurs.

A la fin du XVIIème

siècle, Isaac Newton trace le premier

cercle chromatique : sur cette représentation, les couleurs

complémentaires sont diamétralement opposées.

1.4 Couleur des corps chauffés

Un corps dense émet un rayonnement électromagnétique que l’on appelle rayonnement thermique ; le

spectre de ce rayonnement est continu et dépend de la température du corps.

Plus l’intensité du courant qui le

traverse est élevée, plus le filament de

l’ampoule est chaud. La lumière qu’il

émet s’enrichit alors de radiations de

faible longueur d’onde (bleu, violet).

Tout comme le filament, le corps humain est chauffé,

mais à une température beaucoup plus basse : le

spectre de la lumière qu’il émet est principalement

constitué de radiations dans le domaine infrarouge.

L’imagerie par thermographie utilise des caméras

sensibles aux infrarouges pour identifier les zones de

températures différentes au niveau du corps, mais aussi

d’une maison (détermination des flux thermiques, bilan

d’isolation).

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

thermique émis par un corps à la température T a une intensité maximale pour une longueur d’onde max

donnée par la relation 3

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

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

inversement proportionnel à T : plus le corps est chaud, plus sa longueur d’onde d’intensité maximale est

faible.

La loi de Wien n’est pas suffisante pour prévoir la

couleur d’un corps chauffé : cette couleur dépend

de l’ensemble des radiations visibles émises.

En 1900, Max Planck a montré qu’il est possible de

calculer l’intensité du rayonnement thermique émis

par un corps idéal (appelé corps noir) pour une

température donnée : les courbes correspondantes

permettent de présumer la couleur de ce corps.

Certains corps réels ont un comportement qui se

rapproche de ce modèle de corps noir : c’est le cas,

par exemple, des étoiles.

Ainsi, la plupart des étoiles émettent de la lumière

blanche, mais avec une dominante caractéristique

de leur température de surface : Bételgeuse paraît

rougeâtre, Rigel bleutée…

1.5 Sources de lumière courantes

Bételgeuse (α-Orionis) est une étoile géante

vieillissante dont la température de surface atteint les

3 000 K : son maxima d’intensité est situé dans le

domaine infrarouge, et elle apparaît blanche-rougeâtre.

Rigel (β-Orionis) est une étoile supergéante jeune dont

la température de surface de 10 000 K.

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2 (Sources) secondaires de lumière : couleur des objets

2.1 Absorption, transmission, diffusion

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

généralement d’une source extérieure : Soleil, lampe, etc.

Lorsqu’il reçoit de la lumière, un objet peut

l’absorber, c’est-à-dire ne pas la renvoyer

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

la diffuser, c’est-à-dire la renvoyer dans toutes les directions

La plupart des objets opaques diffusent une partie de la lumière reçue et absorbent le reste.

2.2 Synthèse soustractive des couleurs-matière

Les objets n’ont pas de couleur par eux-mêmes. Ce que l’on en voit dépend

de la nature de la lumière incidente,

de l’absorption et de la diffusion qu’il en fait

de la synthèse des lumières reçues par l’œil

Ainsi, un objet qui paraît blanc a la propriété de diffuser de manière équivalente toutes les couleurs du

spectre ; un objet est dit noir s’il absorbe toutes les radiations.

Prenons l’exemple d’un objet rouge : un extincteur.

S’il est dit rouge, c’est qu’éclairé en lumière blanche, il diffuse

la lumière rouge (celle que l’on observe) et qu’il absorbe les

lumières verte et bleue.

Eclairé en lumière verte ou bleue, il paraît noir : il absorbe

cette lumière et ne diffuse rien car il ne reçoit pas de lumière

rouge.

Eclairé en lumière jaune (rouge et verte), il paraîtra rouge : la

lumière verte est absorbée, et seule la lumière rouge est

diffusée.

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

Les filtres rouge, vert et bleu ne transmettent qu’un

couleur : ce sont des filtres primaires. Ainsi, un filtre

bleu ne transmet que la lumière 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 lumière bleue (sa couleur complémentaire) et laisse

passer les lumières rouge et verte.

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

retirant des lumières colorées à la lumière incidente. La figure ci-

contre considère trois filtres de même pouvoir absorbant. On

obtient la plupart des couleurs en modifiant le pouvoir absorbant

des filtres.

3 Reproduction et vision des couleurs

3.1 Couleur perçue et couleur spectrale

Les lumières colorées et la lumière blanche que nous percevons peuvent être obtenues par synthèse

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

Si un écran est éclairé avec une lumière L, il est

possible d’obtenir une lumière L’ produisant la

même sensation colorée à partir de sources de

lumière rouge, verte et bleue : pourtant, les spectres

de ces deux lumières L et L’ peuvent ne pas être

identiques !

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Ce principe est à l’œuvre dans la comparaison entre la lumière émise par une lampe à incandescence

(rayonnement thermique continu) et par une lampe à économie d’énergie (lampe spectrale).

Spectre d’une ampoule halogène

Toutes les couleurs du spectre sont présentes.

Spectre d’une ampoule fluocompacte

Seules quelques couleurs sont présentes : c’est le cerveau qui réalise la synthèse additive de ces couleurs.

3.2 Mécanisme de vision des couleurs

Lorsque la lumière pénètre dans l’œil, elle atteint la rétine qui contient des cellules réceptrices : les cônes et

les bâtonnets.

Les bâtonnets sont sensibles aux lumières de faible intensité

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

essentiellement concentrés dans la zone appelée fovéa, sont

de trois types sensibles principalement au rouge, au vert et

au bleu, à condition que l’intensité lumineuse soit

suffisante.

C’est l’addition des signaux produits par l’excitation des différents types de cônes qui va produire la

sensation de couleur.

Par exemple, si l’œil reçoit une lumière monochromatique jaune, les cônes sensibles au vert et au rouge

produiront des signaux qui pourront être les mêmes que s’ils recevaient des lumières rouge et verte : pour

l’observateur, la sensation colorée sera alors la même – bien que les lumières reçues n’aient pas la même

composition spectrale.

Le daltonisme est une anomalie de la perception des couleurs due à l’absence ou au manque de sensibilité

d’un ou plusieurs types de cônes. La forme la plus fréquente, appelée deutéranopie, se manifeste par une

modification de la perception du vert et du rouge.

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Cette anomalie de la vision est plus fréquente

chez les hommes (1/100) que chez les femmes

(1/1000) et peut être diagnostiquée par le test

chromatique d’Ishihara.

3.3 Reproduction des couleurs

3.3.1 Impression couleur

Les encres utilisées par une imprimante se comportent comme des filtres : la superposition sur un papier

blanc de trois encres jaune, magenta et cyan permet de reproduire toutes les couleurs.

La photographie, la peinture utilisent la synthèse soustractive des couleurs. En imprimerie, pour améliorer le

contraste, on ajoute une quatrième image en « noir et blanc » : on parle alors de quadrichromie.

La quadrichromie au cœur d’une imprimante à jet

d’encre : la grosse cartouche d’encre noire (à droite) est

utilisée pour le texte ; les trois cartouches colorées

(magenta, cyan, jaune) et la petite cartouche noire

réalisent les impressions d’images en quadrichromie.

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Remarque : il n’est pas possible à l’impression de jouer sur l’épaisseur de l’encre pour le rendu des

différentes couleurs : on ne pourrait imprimer que du jaune, du cyan, du magenta, du rouge (M+J), du vert

(C+J), du bleu (C+M).

La solution : exploiter une faiblesse de notre cerveau : face à une image regardée dans sa globalité et de

suffisamment loin, il ne réalise pas une analyse point par point de l’image mais plutôt zone de couleur par

zone de couleur.

Pour imprimer une image, on la découpe en

rectangles dont la taille dépend de la distance à

laquelle sera vue l’impression (pour de

grandes affiches publicitaires, les rectangles

peuvent être particulièrement grands). Au lieu

d’appliquer des zones totalement remplies de

couleurs superposées, des points sont

imprimés dans les rectangles définis

précédemment ; la forme, l’espacement et la

position de chaque couleur sont savamment

calculés pour que notre cerveau soit trompé et

voit des couleurs… là où il n’y en a pas. Ce

procédé est appelé tramage. Ainsi, chaque

filtre de couleur est constitué d’une trame dont

l’angle par rapport à l’image lui est propre afin

d’éviter que les points ne se chevauchent ; en

jouant sur la taille des points, il est possible de

restituer les différentes nuances de couleurs.

3.3.2 – Ecrans plats, anaglyphes 3D

Téléviseurs, ordinateurs, GPS, consoles de jeux, calculatrices… de nombreux appareils quotidiens sont dotés

d’écrans plats en couleur. Si la technologie varie d’un écran à l’autre (LCD, plasma, LED…) le principe

utilisé est toujours le même : chaque point de l’image ou pixel est formé de trois luminophores qui diffusent

des lumières rouge, verte et bleue avec des intensités variables. Ces luminophores sont trop proches les uns

des autres pour que l’œil puisse les distinguer : pour chaque pixel, le cerveau fait donc la synthèse additive

des lumières RVB reçues par l’œil.

Le pixel n’a pas de taille définie : il est d’autant plus

petit que l’écran est petit et sa définition est grande.

Pour obtenir le label HD, un écran possède 1 080 lignes

de 1 920 pixels en « Full HD » et 720 lignes de 1 280

pixels en « HD Ready ».