Chapitre 5 La nature de la lumière

Points essentiels Nature de la lumière La lumière est une particule (Newton) La lumière est une onde (Huygens) Mesure de la vitesse de la lumière Galilée Römer Effet Doppler Mesure de la vitesse orbitale de la Terre La loi de Hubble

Dans un passé très lointain … Pythagore Euclide Mais, comment se fait-il que nous ne puissions pas voir dans le noir; l'œil pourrait pourtant encore émettre des rayons? Dans un passé très lointain … 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.

La lumière est une particule Non! La lumière est une onde au XVIIème siècle, deux scientifiques avaient des visons différentes sur la nature de la lumière…… Isaac Newton 1643 - 1727 La lumière est une particule Christian Huygens 1629 - 1695 Non! La lumière est une onde

La réflexion

La réfraction

La nature corpusculaire de la lumière Au XVIIe siècle, Descartes et Newton envisageaient la lumière comme un flux de particules. Réflexion : collision élastique; Isaac Newton Réfraction: attraction ;

La nature ondulatoire de la lumière Tandis que Huygens soutenait qu’il s’agissait d’une perturbation dans un milieu que l’on nommait « éther ». Christian Huygens Réflexion et réfraction : changement de vitesse de la lumière;

L’autorité de Newton laisse la nature ondulatoire de côté durant plus d’un siècle !

La lumière se déplace dans le vide à très grande vitesse Galilée tenta, sans succès de mesurer la vitesse de la lumière en demandant à son assistant situé une colline voisine d’ouvrir sa lanterne à l’instant où il ouvrirait la sienne. La lumière ne prend que 30 microsecondes pour parcourir la distance de 10 km séparant les deux montagnes!

Römer en 1672 Variation de la période de Io (lune de Jupiter).

Römer (suite) Terre Jupiter Soleil Variation de la période de Io (lune de Jupiter). Lorsque la Terre s’éloigne 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 l’éclipse est causée par la distance supplémentaire que doit parcourir la lumière. Résultats: c = x / t = 2,27 x 108 m/s.

La méthode de Fizeau La première mesure terrestre de la vitesse de la lumière fut réalisée à Paris en 1849 par A. Fizeau.

La lumière est une radiation électromagnétique caractérisée par la longueur d’onde On peut décomposer la lumière blanche avec l’aide d’un prisme. La longueur d’onde de la lumière visible se situe entre 400 nm (bleu) et 700 nm (rouge).

Propriété de la lumière La vitesse de la lumière est la même pour toutes les ondes électromagnétiques. La longue d’onde  est la distance entre deux crêtes ou deux creux consécutifs. La fréquence représente le nombre d’oscillations par seconde.

Couleur Longueur d’onde Ondes lumineuse Longueur d’onde () Lumière rouge – grande longueur d’onde, basse énergie Lumière bleue – courte longueur d’onde, haute énergie

Le spectre électromagnétique

Chaque élément est caractérisé par un ensemble de raies spectrales qui permet de l’identifier !

Le tableau périodique

Exemples de raies d’émission

Les différents types de spectre

Effet Doppler Définition: Variation de la fréquence observée lorsqu’il y a un mouvement relatif entre la source et l’observateur. J.C. Doppler

Voici le phénomène à l’étude

Effet Doppler L’effet Doppler est un changement de fréquence dû à un mouvement relatif entre la source et l’observateur.

Vitesse radiale V = 80 km/h V = 80 km/h V = 60 km/h V = 40 km/h Aucune vitesse relative? V = 80 km/h V = 80 km/h Je m’approche du bus avec une vitesse relative de 20 km/h V = 60 km/h V = 40 km/h Je m’éloigne de l’ambulance avec une vitesse relative de 20 km/h V = 40 km/h V = 60 km/h Je m’approche avec une vitesse relative de 160 km/h V = 80 km/h V = 80 km/h

Mesure de la vitesse radiale d’une étoile Spectre de référence (labo) Laboratoire – Aucune vitesse radiale Terre Étoile éloignée Vitesse radiale = 0 Blueshift Vitesse radiale - Redshift Vitesse radiale + o 

Effet Doppler Décalage vers le rouge: La distance entre l’observateur et la source augmente. Décalage vers le bleu: La distance entre l’observateur et la source diminue. Dl = variation de longueur d’onde, Df = variation de fréquence lo = longueur d’onde (source au repos) v = vitesse de la source c = vitesse de la lumière

La loi de Hubble

Application: la Loi de Hubble

Le pistolet Radar

Exemple Une sonde spatiale qui se dirige vers Mars émet un signal à une fréquence de 100 MHz (1 MHz = 106 Hz). Le récepteur terrestre capte le signal à la fréquence de 99.99 MHz. Calculez la vitesse et la direction de la sonde spatiale? Puisque la fréquence diminue, la sonde spatiale s’éloigne de la Terre.

Fin…