PRQ.1. Une définition de la lumière

0178/0179*
PRQ.1.1. La lumière, ce sont des radiations électromagnétiques

Les radiations électromagnétiques, c’est la fluctuation de champs électrique et magnétique dans la nature.



Plus simplement, on peut résumer en disant que la lumière c’est de l’énergie.
Le phénomène de la couleur, quant à lui, est le produit d’une interaction entre cette énergie et de la matière.

PRQ.1.2. La lumière présente à la fois les propriétés physiques des particules et des ondes

Les particules de lumière, qu’on appelle les photons, irradient au départ de leur source de manière ondulatoire à une vitesse constante de 186.000 miles par seconde.
Comme les ondes dans l’océan, les ondes lumineuses ont un sommet et un creux.
Les ondes sont mesurées en longueur d’onde, qui est la distance entre deux sommets, et par l’amplitude, c’est la distance entre un sommet et un creux.

PRQ.2. Le spectre des lumières visibles dans le spectre des ondes électromagnétiques

1049
PRQ.2.1. Le spectre des lumières visibles, qu’est‑ce que c’est?

C’est la petite partie du spectre des ondes électromagnétiques dont les longueurs d’ondes sont entre 380 et 720 nanomètres.
Ces ondes sont détectables par l’œil humain. De toutes ces ondes, l’œil humain peut distinguer à peu près 10.000 couleurs.

1224
PRQ.2.2. L’électromagnétisme, qu’est‑ce que c’est?

Ce sont les lois de l’électricité et du magnétisme unifiées en une seule science par J.C. Maxwell.
180*/1362*/1972*/0363**/0552*/2049*/2051**

La place du spectre des lumières visibles parmi toutes les ondes électromagnétiques.

PRQ.3. La couleur est une perception psychologique

1984
PRQ.3.1. Une citation d’Isaac Newton pour faire comprendre que la couleur est une sensation qui existe uniquement dans la tête de l’observateur

«Indeed rays, properly expressed, are not colored»

0939*
PRQ.3.2. Les objets ne sont pas colorés



Ce qui se passe c’est que la matière des objets absorbe une partie de la lumière blanche.
Ce qui reste de la lumière blanche, qui n’est pas absorbée par la matière de l’objet mais qui est reflétée vers l’observateur, c’est cela qui créé la sensation de couleur.

0502/0503*
PRQ.3.3. La perception des couleurs est influencée par l’éclairage, par l’atmosphère, et par la matière des objets


Le schéma de la planche 0503 montre que le stimulus visuel que reçoit le cerveau est le résultat de…
Les caractéristiques de l’éclairage, les caractéristiques de l’objet éclairé, et les caractéristiques de la perception des couleurs chez l’observateur.

PRQ.4. La nature ondulatoire de la lumière

0181*
PRQ.4.1. Le spectre des lumières visibles contient beaucoup de couleurs que l’on distingue par leur longueur d’onde et par leur amplitude



La longueur d’onde détermine quelle est la couleur et l’amplitude détermine quelle est la luminosité.

0365*
Schéma qui montre l’amplitude et la longueur des ondes.



0938/1163
PRQ.4.2. La mesure de l’onde, le «nanomètre»

Les ondes sont mesurées en nanomètres.
Un nanomètre, c’est un millionième de millimètre, ou un milliardième de mètre.
Un nanomètre, c’est 10 mètres à la puissance ‑9.



1147
PRQ.4.3. La lettre grecque lambda

Parfois la lettre grecque «lambda» est utilisée pour préciser qu’un nombre indique la longueur d’onde.



0372*
PRQ.4.4. Les ondes sont tridimensionnelles

Par facilité, on représente les ondes sur des schémas en deux dimensions, mais en réalité les ondes sont tridimensionnelles. Les champs électriques d’une onde lumineuse se propagent dans toutes les directions mais sont toutefois perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde lumineuse.


PRQ.4.5. Un filtre polarisant filtre les champs électriques d’une onde lumineuse de manière à ce que ne passent que les champs magnétiques qui sont orientés dans une direction et une seule


Les schémas montrent comment deux filtres polarisants fonctionnent ensemble.



Les doubles‑flèches montrent en deux dimensions les champs électriques aléatoires d’une onde lumineuse. Ces champs électriques se propagent dans toutes les directions mais sont toutefois perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde lumineuse. Les schémas montrent la lumière telle qu’elle arrive vers l’observateur.

Un filtre polarisant empêche que ces champs électriques ne se propagent dans toutes les directions.

Quand on met deux filtres polarisants sur le trajet de la lumière on obtient, suivant la manière dont ils sont orientés, que soit toute la lumière passe, ou aucune lumière ne passe, ou alors on obtient que la lumière soit atténuée.

Plus tard, lorsque nous parlerons des instruments de mesure de la couleur, nous aurons l’occasion de voir que les spectrophotomètres ont recours à un filtre polarisant pour mesurer avec justesse la courbe spectrale d’encres offset brillantes comme les encres américaines, pour que la brillance de ces encres ne parasite pas la mesure de la couleur.

Les photographes ont aussi recours aux filtres polarisants notamment pour arriver à photographier à travers des surfaces brillantes, comme les vitres de voitures ou les surfaces d’eau.

PRQ.5. La décomposition de la lumière blanche

0182
PRQ.5.1. La combinaison de toutes les ondes lumineuses du spectre des lumières visibles, c’est perçu comme du blanc, on peut le prouver en décomposant la lumière blanche

Une décomposition des couleurs individuelles de la lumière blanche est possible dans certaines circonstances.

Cela arrive naturellement avec un arc‑en‑ciel.
Ça arrive également lorsque la lumière est réfléchie au travers d’un prisme.

En expérimentant avec un prisme, Isaac Newton a prouvé que la lumière blanche n’est pas homogène comme on l’avait cru jusqu’alors, mais qu’elle est composée de beaucoup d’ondes de longueurs différentes.

Les expériences de Newton ont démontré que la lumière blanche est constituée d’énergie de différentes longueurs d’onde.

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PRQ.5.2. La «réfraction» des différentes longueurs d’ondes qui composent la lumière blanche


Newton a remarqué que des lumières de différentes couleurs (= de différentes longueurs d’ondes) se réfractent différemment quand elles passent de l’air vers une matière qui a un indice de réfraction plus grand, comme un prisme de verre.

Par exemple la lumière bleue est plus réfractée que la lumière rouge. Les ondes plus courtes sont donc plus réfractées que les longues.

1189
Une définition de la «réfraction» : c’est la déviation de la lumière quand elle passe la frontière entre deux matériaux transparents qui ont des propriétés optiques différentes, comme l’air et le verre.



0311*/0314*
PRQ.5.3. Les aberrations chromatiques, les lentilles achromatiques

Newton a donc démontré que les ondes courtes sont plus déviées que les ondes longues.

Dans le cas des lentilles simples c’est un problème qu’on appelle aberration chromatique.

Le schéma montre que les ondes courtes (les bleus) sont plus déviées que les ondes longues (les rouges).


Pour résoudre le problème de l’aberration chromatique, il faut des lentilles qu’on appelle «achromatiques». Deux sortes de verre sont utilisées pour créer cette double‑lentille. La lumière blanche qui entre dans la lentille est focalisée au même endroit de l’autre côté de la lentille. Comme tous les rayons sont focalisés au même endroit, il n’y a pas d’aberration chromatique.





0317*/0937*
PRQ.5.4. L’expérience la plus connue de Newton

Schémas qui montrent l’expérience de Newton : la lumière blanche décomposée quand elle passe au travers d’un prisme.




1712*/1713
PRQ.5.5. Une autre expérience de Newton : isoler une partie du spectre

Durant une de ces expériences, Newton a utilisé une fente dans un carton afin de ne faire passer vers un second prisme qu’une partie de la lumière décomposée par un premier prisme… Il n’y a plus de décomposition supplémentaire : la couleur ne change pas.

Newton a donc isolé une partie du spectre et prouvé qu’il ne contient aucune des autres couleurs.



1710
PRQ.5.6. Une autre expérience de Newton : la recomposition de la lumière blanche

Newton a également réalisé l’expérience inverse. Il a pris la lumière décomposée par le premier prisme, et l’a fait passé dans un second prime orienté en sens contraire.

Cela a reconstitué la lumière blanche avec les différentes longueurs d’ondes qui la composent.



0414*/0416*
PRQ.5.7. Une explication à propos des arcs‑en‑ciel

Les schémas montrent comment les gouttelettes de pluie agissent comme des primes qui diffractent la lumière. Le résultat est un arc‑en‑ciel.

Le second schéma montre un observateur au sol et deux gouttelettes dans le ciel.

Évidemment en réalité il y a une quantité énorme de gouttelettes dans le ciel, et elles ne sont pas aussi grosses!


La lumière qui entre dans la gouttelette du haut est montrée avec des lignes pleines.

On remarque que ce sont les ondes longues, les rouges, qui arrivent dans l’œil de l’observateur.

La lumière qui entre dans la gouttelette du bas est montrée avec des lignes en pointillés.

On remarque que ce sont les ondes courtes, les bleus, qui arrivent dans l’œil de l’observateur.

Donc, de la lumière blanche qui passe dans une gouttelette, seule une longueur d’onde arrive dans l’œil de l’observateur.

Quand on observe un arc‑en‑ciel on remarque que le rouge est en haut de l’arc‑en‑ciel, et que le bleu est en bas de l’arc‑en‑ciel. Le jaune et le vert sont entre les deux.

Le ciel est rempli de gouttelettes, pourtant ce n’est pas pour cela qu’on voit un arc‑en‑ciel partout dans le ciel. Seules les gouttelettes qui ont une certaine position dans le ciel renvoient la lumière dans l’œil vers l’observateur. Les autres gouttelettes renvoient la lumière vers d’autres endroits où l’observateur ne se situe pas.

PRQ.6. Les surfaces qui renvoient une partie de la lumière blanche

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PRQ.6.1. Les trois sortes d’objets qui existent dans le monde

Le schéma montre quelles sont les trois sortes d’objets qui existent dans le monde…

les objets qui émettent de la lumière,
les objets qui reflètent la lumière,
les objets qui transmettent la lumière.




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PRQ.6.2. Une définition de la «réflexion»

C’est le renvoi de la lumière ou d’une autre radiation par une surface sans qu’il n’y ait de changement de longueur d’onde.

0367* 0367* 0367* 0367* 0367* 0367* 0367* 0367* 0367*
PRQ.6.3. Il y a deux grands types de réflexion : la réflexion spéculaire et la réflexion diffuse

La réflexion spéculaire, c’est lorsque la lumière se reflète dans la direction opposée à celle d’où elle vient, comme la lumière qui se reflète dans un miroir.

La réflexion diffuse, c’est quand la lumière est reflétée dans toutes les directions, comme la lumière qui se reflète sur une feuille de papier.

Une feuille de papier brillante présente à la fois un type de réflexion spéculaire et diffuse.

Le schéma (de la planche 0367) montre la réflectivité d’une surface mate, d’une surface‑miroir et d’une surface brillante.



1218
PRQ.6.4. Le cas particulier des matières fluorescentes : une définition de la «fluorescence»

La fluorescence, c’est la propriété d’une matière qui absorbe la lumière à une longueur d’onde, et qui la ré‑émet à une autre longueur d’onde, habituellement plus longue.
La lumière qui est ré‑émis a toutefois une énergie moins importante que la lumière qui est émise. Un exemple habituel de fluorescence, c’est quand de la lumière ultraviolette non visible est ré‑émis à une longueur d’onde visible. On voit ça souvent dans la vie de tous les jours…

Par exemple, dans les poudres à lessiver il y a des substances blanchissantes qu’on appelle des «optical brighteners». Ces substances sont fluorescentes, elles absorbent la lumière ultraviolette et la ré‑émettent sous la forme de lumière bleue claire. Cela permet de masquer les résidus de saletés qui ont résisté au lavage et qui ont généralement une couleur jaune clair. La lumière bleue claire, qui est la couleur complémentaire du jaune clair, neutralise ce jaune clair. «Neutraliser une couleur», ça veut dire qu’on la rend grise, sans couleur… «gris très clair» dans ce cas.

Dans les discothèques, ces «optical brighteners» qui ont servi à laver les vêtements blancs font en sorte que ces vêtements blancs apparaissent bleutés.

C’est parce qu’on les voit éclairés par des «lampes noires», qu’on appelle ainsi parce qu’elles semblent ne pas éclairer lorsqu’elles sont allumées. En réalité les «lampes noires», c’est un éclairage qui émet de la lumière ultraviolette, non visible par l’œil humain.

De la lumière ultravilolette dans l'obscurité, c'est particulier : voilà pourquoi on ne rencontre pas ce phénomène des vêtements bleutés et lumineux dans d'autres circonstances.