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Nature de la lumière Que suis-je ? Ondes ? Particules ? 1.

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2 Nature de la lumière Que suis-je ? Ondes ? Particules ? 1

3 Lévolution des idées; Nature corpusculaire; Nature ondulatoire; La mesure de la vitesse de la lumière; Le spectre électromagnétique; La lumière visible 2

4 Dans un passé très lointain … Mais, comment se fait-il que nous ne puissions pas voir dans le noir; l'œil pourrait pourtant encore émettre des rayons? Pythagore Euclide 3 Au 3e siècle avant J.-C., les Euclide et Pythagore parlaient de rayons lumineux qui étaient émis par l'œil et qui se propageaient en ligne droite.

5 au XVIIème siècle, deux scientifiques avaient des visons différentes sur la nature de la lumière…… Isaac Newton La lumière est une particule Christian Huygens Non! La lumière est une onde 4

6 Ce que lon devait expliquer… La réflexion et la réfraction de la lumière ! 5

7 Newton propose sa « théorie corpusculaire » afin dexpliquer ces phénomènes. (source: Opticks, publié par Isaac Newton en 1704) Je pense que la lumière est composée de petites particules, appelées corpuscules … 6

8 Pourquoi un prisme donne-t-il des couleurs à un rayon de soleil qui le traverse? Théorie corpusculaire La lumière blanche est un mélange de 7 corpuscules de masses différentes qui sont déviés différemment selon leur masse. 7

9 Explication de la réflexion selon la théorie corpusculaire BalleRebond LumièreRéflexion Miroir Un très grand nombre de corpuscule Selon Newton, une force perpendiculaire à la surface de réflexion s'exerce au point où la lumière frappe la surface. Elle agit à très faible distance et son intensité décroit avec léloignement du plan. 8

10 Selon Newton les corps transparents doivent avoir assez de pores libres pour transmettre la lumière sans obstacle. Si la force réfractante est assez intense, il y a réflexion, sinon la lumière est juste déviée et c'est la réfraction Explication de la réfraction selon la théorie corpusculaire Balle Lumière eau air 9 Selon Newton, la lumière voyage plus vite dans la matière

11 Comment admettre une théorie corpusculaire alors que deux faisceaux qui se croisent ne se dévient pas ? Le mouvement ne pouvant être accompagné daucun transport de matière, il est dû à des ondes. Huygens propose sa « théorie ondulatoire » afin dexpliquer ces phénomènes. Huygens propose sa « théorie ondulatoire » afin dexpliquer ces phénomènes. (Source: « Principia » 1687) 10

12 Propagation dune onde « Chacun des points dun front donde agit comme une source de petites Ondelettes secondaires. À un instant donné ultérieur, lenveloppe des bords avant des petites ondes forme le nouveau front donde. » 11

13 Construction dHuygens pour la réflexion Alors = Langle dincidence égal langle de réflexion. 12

14 Construction dHuygens pour la réfraction et En utilisant v 1 = c/n 1 et v 2 = c/n 2 on obtient: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 13 Selon Huygens, la lumière voyage moins vite dans la matière

15 Conclusion : Lautorité de Newton laisse la nature ondulatoire de côté durant plus dun siècle ! 14

16 Galilée tenta, sans succès de mesurer la vitesse de la lumière en demandant à son assistant situé une colline voisine douvrir sa lanterne à linstant où il ouvrirait la sienne. La lumière ne prend que 30 microsecondes pour parcourir la distance de 10 km séparant les deux montagnes! 15

17 Variation de la période de Io (lune de Jupiter). 16

18 Terre Jupiter Soleil Variation de la période de Io (lune de Jupiter). Lorsque la Terre séloigne de Jupiter, la période est plus longue, que lorsque la Terre se rapproche de Jupiter (15s). Ainsi, la variation de 22 minutes mesurée par Römer dans la prédiction du début de léclipse est causée par la distance supplémentaire que doit parcourir la lumière. Résultats: c = x / t = 2,27 x 10 8 m/s. 17

19 Thomas Young La lumière nest pas une particule! 18 Cest en 1800 que Young remet en question linterprétation corpusculaire de la lumière. En observant les couleurs dune bulle de savon, il voit sentremêler deux ondes réfléchies, lune par la face extérieure et lautre par la face intérieure. Les vitesses de la lumière sont différentes dans lair et dans leau (comme la montré aussi Huygens).

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21 Distance source-miroir plan 8,63 km. 20

22 Résultats: c = / t = 3,13 x 10 8 m/s Si on tourne la roue dentée avec une bonne vitesse, il est possible de « bloquer » la lumière à son retour.. Exemple: Vitesse de rotation = 12,6 révolutions/s; Nombre de dents = 720. c = 2 d / 21

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24 Foucault démontre que la vitesse de la lumière dans leau est plus petite que la vitesse dans lair !!! Vitesse dans leau = 3/4 c c = m/s. A partir de l'expérience de FOUCAULT, la communauté scientifique était convaincue de la nature ondulatoire de la lumière. 23

25 Distance source-miroir plan 35 km; La roue dentée est remplacée par un miroir à 8 faces; Résultats: c = 2,99796 x 10 8 m/s.N.B. On utilise c = 3 x 10 8 m/s 24

26 En 1860: Théorie électromagnétique de Maxwell Prédictions dondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière. 25

27 Gauss Faraday Ampère-Maxwell 26

28 On peut produire des ondes électromagnétiques en reliant deux tiges à une source de courant alternatif. Les charges en accélération dans les tiges produisent le champ en radiation représenté sur la figure. Le champ électrique est représenté par des boucles fermées alors que le champ magnétique est normal à la page. 27

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34 Les ondes électromagnétisme sont transversales Les ondes électromagnétisme voyagent à la vitesse de la lumière Puisque les ondes EM voyagent à la vitesse qui est précisément celle de la lumière, la lumière est une onde électromagnétique Permittivité du vide Perméabilité du vide 33

35 Le rapport du champ électrique sur le champ magnétique donne la vitesse de la lumière Londe électromagnétique transporte de lénergie qui peut être transférée aux objets quelle rencontre sur son passage 34

36 La vitesse de la lumière est la même pour toutes les ondes électromagnétiques. La longue donde est la distance entre deux crêtes ou deux creux consécutifs. La fréquence représente le nombre doscillations par seconde. 35

37 Soit un rayon X dont la fréquence est de 3 x Hz. Calculez la longueur donde de cette onde électromagnétique. 36

38 Une onde électromagnétique est donnée par : a) Déterminez la longueur donde de cette onde électromagnétique: = 0,03 mètre b) Déterminez la fréquence de cette onde électromagnétique: f = c / 3 x 10 8 m/s)/ 0,03 m = 1 x Hertz c) Déterminez lamplitude du champ magnétique de cette onde EM 37

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40 Heinrich Hertz a été le premier à générer et détecter des ondes électromagnétiques 39

41 Expérience de Hertz 40

42 La même expérience (Hertz) qui démontrait la preuve de la nature électromagnétique de la lumière, apporta la preuve de la nature corpusculaire. On observe expérimentalement linfluence de la lumière (des électrodes émettrices) sur les électrodes de la boucle réceptrice. Effet photoélectrique (Chapitre 9) 41

43 Au lieu de répartir lénergie dun faisceau de lumière dans lespace quoccupent les ondes électromagnétiques, cette énergie est concentrée dans un petit paquet (photon). E f 42

44 Albert Einstein La lumière une onde? Pas question 43

45 De Broglie (1924): nature ondulatoire des particules. Compton (1923): diffusion des rayons X. 44

46 Louis de Broglie La lumière nest ni une onde, ni une particule, mais les deux à la fois. 45

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50 (ultraviolet) (infrarouge) Réponse concorde avec le maximum démission de la lumière solaire! 49

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