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UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 27
Thème 2
La lumière et le son nous permettent d'observer et de communiquer
UAA 2 : La lumière nous permet d'observer
UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 28
Tâche I : Propagation de la lumière et ombres
Compétence à développer:
Sur base d'une démarche d'investigation, déterminer les conditions de visibilité d'un objet.
D’où viens-tu ? UAA1 Les mouvements de la Terre permettent d'expliquer les saisons et l'alternance
jour/nuit.
Notions à voir Développements attendus ou AA
Connaître Appliquer Transférer
Source de lumière et
objet éclairé
C1 : Différencier une
source de lumière d'un
objet éclairé
C2: Décrire les
conditions de visibilité
d'un objet
Corps transparents,
translucides et
opaques
C3: Différencier les
corps transparents,
translucides et
opaques.
Propagation rectiligne
de la lumière
C4: Schématiser la
propagation rectiligne
de la lumière à l'aide du
rayon lumineux.
A1: Suivre un mode
opératoire permettant
de vérifier la
propagation rectiligne
de la lumière
Ombre propre, ombre
portée et cône
d'ombre
A2: Identifier par une
construction les zones
d'ombre propre, portée
et de cône d'ombre
produites par un objet
éclairé
T1: Expliquer les
phases de la lune à
partir d'un texte ou
d'un dispositif
expérimental.
UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 29
Document 1 : « Source de lumière et objet éclairé »
Les objets lumineux sont de deux types:
Une source lumineuse est un objet qui produit de la lumière.
Elle est visible même en l’absence d’autres objets lumineux.
Les sources de lumière peuvent être - naturelles
- artificielles
Certains animaux ont également la faculté d’émettre de la lumière (lucioles, vers luisants).
Un objet éclairé est un objet qui renvoie de la lumière.
Il n’est donc visible que s’il est éclairé par un autre objet lumineux.
A la différence d’une source lumineuse, un objet éclairé cesse de diffuser de la lumière
lorsqu’un obstacle s’interpose entre lui et l’objet qui l’éclairait.
La lumière est une forme d’énergie.
Document 2 : « Conditions de visibilité d'un objet »
L'œil est un récepteur de lumière: pour voir un objet, il faut que la lumière venant de l'objet
pénètre dans l'œil.
Un objet sera donc visible s'il est lumineux et si la lumière qu'il diffuse parvient à l'œil.
Il faut également que l'espace situé entre l'objet et l'œil soit transparent et dépourvu
d'obstacles.
UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 30
Document 3 : « Objets transparents, translucides et opaques »
Lorsqu’un faisceau de lumière frappe un objet matériel, trois situations peuvent se présenter.
• L’objet est transparent si la lumière le traverse et qu’on voit distinctement (sans
déformation) ce qui se trouve derrière.
• Il est translucide si la lumière le traverse mais si on ne voit pas distinctement ce qui
se trouve derrière ; le faisceau de lumière traverse l’objet translucide mais est dévié
dans de multiples directions, empêchant de voir une image nette ;
• Il est opaque si la lumière qui l’éclaire ne le traverse pas.
Document 4 : « Propagation rectiligne de la lumière »
• Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite.
Ce fait n’est pas facilement observable dans les situations de la vie courante car les
objets lumineux envoient généralement de la lumière dans toutes les directions.
De plus, si le milieu de propagation est transparent, il laisse passer la lumière sans la
perturber, et donc sans en manifester la présence. Toutefois, on peut rendre compte
de la trajectoire de la lumière en observant sous un certain angle une succession
d’objets (par exemple des têtes d’épingle) parfaitement alignés, de telle manière qu’on
n’en voit plus qu’un seul.
UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 31
• On peut aussi utiliser une source lumineuse n’éclairant qu’une
portion de l’espace (un spot, une LED, un LASER, …) et rendre
visible le faisceau de lumière en rendant le milieu de
propagation moins transparent (par exemple en y créant un
brouillard au moyen d’un brumisateur ou dans un voile de
poussière)
• La propagation de la lumière n’est rectiligne que si le milieu est homogène.
Le trajet de la lumière s’infléchit (phénomène de
réfraction) lorsqu’elle passe de l’eau de l’aquarium à
l’air, ou des couches plus élevées et plus froides de
l’atmosphère aux zones plus chaudes situées près du
sol; dans ce cas le trajet de la lumière ne se faisant
plus en ligne droite, notre cerveau, qui continue à
situer les objets dans le prolongement du faisceau de
lumière perçu par l’œil, voit le poisson plus loin qu’il
n’est, et voit l’arbre ou le ciel là où se trouve la route
ou le désert (mirages optiques).
Document 5 : « Zones d'ombres »
Lorsqu’on met en présence un objet opaque et une source lumineuse ponctuelle, on crée d’une
part une zone éclairée (l’ensemble des points d’où la source est visible) et d’autre part une
zone d’ombre (l’ensemble des points d’où la source n’est pas visible). La zone d’ombre
comprend :
• l’ombre propre (partie non éclairée de l’objet opaque),
• l’ombre portée (tache noire qui se forme derrière l’objet sur un écran),
• le cône d’ombre (espace situé entre l’objet opaque et l’écran).
UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 32
Dans le langage courant, l’ombre désigne souvent l’ombre portée. Celle-ci est toujours située à
l’opposé de la source lumineuse. La forme de l’ombre portée dépend de celle de l’objet opaque,
et sa taille dépend des distances qui séparent la source, l’objet et l’écran.
Les sources lumineuses habituelles étant rarement ponctuelles (lampe de poche, projecteur,
...), elles créent en outre des zones de pénombres.
Document 6 : « Phases de la lune »
Lors de sa rotation autour de la Terre, la Lune nous présente différents aspects que l’on
appelle les phases de la Lune. La Lune est éclairée par le Soleil ; une moitié de sa surface se
trouve dans la lumière, l’autre moitié dans l’ombre.
La proportion plus ou moins grande d’ombre et de lumière visible depuis la Terre s’explique par
les positions relatives de la Terre, de la Lune et du Soleil.
Ainsi, lorsque la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre, elle nous apparaît entièrement
sombre : c’est la nouvelle lune.
UAA 2 - Tâche 1 - Propagation de la lumière - 33
Si la Lune est située à l’opposé du Soleil, on voit l’entièreté de sa face éclairée : c’est la pleine
lune.
Quand l’axe Terre-Lune forme un angle droit avec l’axe Terre-Soleil, nous voyons la moitié de
la Lune : c’est le premier quartier quand la partie éclairée se trouve à droite (elle fait penser
à un p), le dernier quartier si la partie éclairée est à gauche (elle fait penser à un d).
Animation : Les phases de la
lune
NL = Nouvelle lune ; PQ = Premier quartier ; PL = Pleine lune ; DQ = Dernier quartier
UAA 2 - Tâche 2 - Les couleurs - 34
Tâche II : Décomposition de la lumière blanche Synthèse des couleurs
Notions à voir Développements attendus ou AA
Connaître Appliquer Transférer
Décomposition de la
lumière blanche
A3: Suivre un mode
opératoire pour
décomposer la lumière
blanche.
Synthèse des couleurs
(filtres colorés et
couleur apparente d'un
objet)
C5: Schématiser l'effet d'un
ou plusieurs filtres colorés
sur la lumière blanche.
A4: Utiliser un dispositif
pour produire une lumière
colorée à partir des
couleurs primaires.
A5: Prévoir et justifier la
couleur sous laquelle on
perçoit un objet éclairé par
une lumière colorée.
Où vas-tu ? UAA7 Propriétés des lentilles et mécanisme de la vision
UAA 2 - Tâche 2 - Les couleurs - 35
Document 1 : « Spectre de la lumière visible »
Les différentes couleurs qui composent la lumière du jour forment le spectre continu du
visible ( ce que nos yeux peuvent percevoir) et ne sont pas déviées de la même façon par
le prisme (le bleu est plus dévié que le rouge).
L'œil humain distingue dans le spectre continu 6 couleurs: rouge, orange, jaune, vert, bleu,
indigo, violet. On parle de spectre de la lumière visible
Document 2 : « Formation d'un arc-en-ciel »
Il est assez rare de voir un arc-en-ciel.
La raison est simple: plusieurs conditions doivent être réunies.
✓ Les rayons du soleil doivent éclairer un secteur où tombe la pluie.
✓ Nous devons être dos au soleil.
✓ Notre ligne de visée doit former un angle de 40° à 42° avec les rayons du soleil.
UAA 2 - Tâche 2 - Les couleurs - 36
Les phénomènes de réfraction et de réflexion dans les gouttes de pluie nous permettent
de voir les couleurs de l'arc-en-ciel toujours dans le même ordre. Peu importe où l'on se
trouve sur la planète, on retrouvera chaque fois un dégradé comportant les 7 couleurs
principales suivantes, en partant de l'arc-en-ciel:
rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.
Lorsque nous voyons un arc-en-ciel et ses bandes de couleurs, nous regardons de la
lumière réfractée et réfléchie par différentes gouttes d'eau, certaines regardées à un
angle de 42°, d'autres à un angle de 40°, et d'autres encore entre les deux. Les gouttes
qui sont regardées à un angle de 42° sont situées plus haut dans le ciel et réfléchissent
la couleur rouge jusqu'à l'œil. Celles qui sont regardées à un angle de 40° sont situées
plus bas dans le ciel et réfléchissent la couleur violette jusqu'à notre œil.
L'arc-en-ciel ne forme pas un cercle complet parce que la Terre nous en cache une
partie. Nous voyons plutôt un demi-cercle ou une partie du demi-cercle. Plus le soleil est
bas sur l'horizon, plus nous voyons une grande partie du demi-cercle. Ainsi, au coucher
du soleil, nous pouvons voir un demi-cercle complet. Plus le soleil est haut, plus l'arc de
cercle que nous voyons est petit au dessus de l'horizon. Pour voir le cercle au complet, il
faut être en avion et regarder la pluie qui tombe plus bas.
Document 3 :
« Les mythes entourant la présence d'arc-en-ciel ;-) »
✓ Une croyance européenne veut qu'un chaudron d'or gardé par un lutin se trouve là
où l'arc-en-ciel touche terre.
✓ Dans la mythologie grecque, la déesse Iris personnifie l'arc-en-ciel. Messagère
des dieux auprès des hommes, elle relie le ciel et la terre de son voile multicolore.
La poésie a emprunté à ce mythe l'expression "écharpe d'Iris" pour désigner l'arc-
en-ciel.
✓ Dans la Bible, Dieu dit à Noé qu'il met son arc-en-ciel dans la nuée comme un rappel
de l'alliance qui unit le ciel avec la terre et tout ce qui vit.
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Document 4 : « Lumière blanche »
Exposons un CD à la lumière du soleil, de multiples couleurs apparaissent. Ce phénomène
est provoqué par les nombreux creux et bosses microscopiques du disque. Le même
phénomène peut être observé en faisant des bulles de savon exposée à la lumière du soleil.
En physique, la lumière du jour, provenant du soleil, est appelée la lumière blanche.
La colorimétrie (discipline qui se donne pour objectif la mesure de la couleur) a débuté
avec les découvertes de Newton au 17ème siècle. Il démontre que la lumière blanche peut
se décomposer en rayons multicolores et se recomposer à nouveau en lumière blanche.
Disque de Newton Isaac Newton
UAA 2 - Tâche 2 - Les couleurs - 38
Document 5 : « Découverte des couleurs primaires »
En 1807, Young fit la découverte des couleurs primaires en s'intéressant aux récepteurs
sensoriels de l'œil. Il proposa comme hypothèse que la vision humaine utilise 3 capteurs
(rouge, vert et bleu: RVB) capables de réaliser la synthèse de toutes les couleurs.
Ce n'est que beaucoup plus tard que l'hypothèse sera confirmée par des expérimentations
qui montreront l'existence de 3 types de cellules sur la rétine sensibles respectivement
au bleu, rouge et vert.
Document 6 : « Couleurs primaires et couleurs secondaires »
Les couleurs primaires sont le rouge, le vert et le bleu.
Les couleurs secondaires sont le cyan, la magenta et le jaune
Document 7 : « Synthèse additive et soustractive des couleurs »
Lorsqu'on fait la synthèse additive des couleurs primaires (rouge, bleu et vert), nous
obtenons les couleurs cyan, magenta et jaune. La synthèse des 3 couleurs primaires
donnent la couleur blanche.
Lorsqu'on fait la synthèse soustractive des couleurs secondaires (cyan, magenta et
jaune), nous obtenons les couleurs primaires (rouge, bleu et vert). La synthèse des 3
couleurs secondaires donne le noir.
UAA 2 - Tâche 2 - Les couleurs - 39
Le principe de synthèse soustractive est utilisée en imprimerie ou en peinture. Les
substances colorés des encres ou des peintures agissent comme des filtres. Le dépôt de
ces pigments sur une feuille de papier blanc dans des proportions variables permet de
restituer toutes les teintes possibles.
Document 8 : « Filtre coloré »
La lumière blanche arrivant sur un filtre coloré s'appelle la lumière incidente. Les filtres
colorés peuvent arrêter une partie du spectre de la lumière blanche. On dit que les
couleurs sont absorbées par le filtre.
Un filtre est primaire lorsqu'il est rouge, vert ou bleu. Il arrête toutes les couleurs
autres que la sienne.
Un filtre est secondaire lorqu'il est cyan, magenta ou jaune. Il n'arrête que sa couleur
complémentaire.
Document 9 : « Objet coloré »
Un objet coloré diffuse une lumière colorée correspondant à sa propre couleur: il
absorbe les autres couleurs.
Un corps blanc diffuse toutes les lumières qu'il reçoit.
Un corps noir ne diffuse pas de lumière, il les absorbe toutes.
La couleur d'un corps dépend du spectre de la lumière qui l'éclaire.
