Optique géométrique
Problématique — Comment la lumière se propage-t-elle et comment peut-on expliquer les phénomènes d’ombre, de réflexion et de réfraction ?
- Comprendre la nature de la lumière et sa propagation rectiligne.
- Étudier les phénomènes d’ombre et de pénombre.
- Découvrir les lois de la réflexion et de la réfraction.
- Apprendre à utiliser les rayons lumineux pour modéliser ces phénomènes.
Partie 1 : La propagation rectiligne de la lumière
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent (sans fumée, brouillard ou poussières qui diffusent la lumière).
Quand on allume une lampe dans une pièce, la lumière éclaire directement les objets situés sur son chemin, mais crée aussi des zones d’ombre derrière les objets opaques.
- La lumière voyage en ligne droite : cette idée permet d’expliquer la formation des ombres.
Partie 2 : Ombre et pénombre
Définitions
- Ombre : zone où la lumière de la source est totalement bloquée par un objet opaque.
- Pénombre : zone où la lumière est partiellement bloquée : une partie de la source éclaire, une autre est masquée.
Lorsque le Soleil éclaire un arbre, on observe une ombre au sol, souvent entourée d’une zone moins sombre appelée pénombre (car le Soleil est une source étendue).
| Zone | Éclairage | Cause |
|---|---|---|
| Ombre | Aucune lumière de la source | L’objet masque toute la source |
| Pénombre | Lumière partielle | La source est étendue : l’objet ne masque qu’une partie de la source |
- Ombre et pénombre dépendent de la propagation rectiligne et de la taille de la source.
Partie 3 : La réflexion de la lumière
La réflexion est le phénomène par lequel la lumière est renvoyée par une surface.
Lois de la réflexion
- Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale au point d’incidence sont dans le même plan.
- L’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion (angles mesurés par rapport à la normale).
- Réflexion spéculaire (surface lisse, miroir) : on obtient une image.
- Réflexion diffuse (surface rugueuse, mur) : la lumière est renvoyée dans plusieurs directions → on éclaire la pièce.
Un miroir renvoie la lumière selon ces lois, ce qui permet de voir son reflet.
- La réflexion suit des règles précises : on peut prévoir la direction du rayon réfléchi.
Partie 4 : La réfraction de la lumière
La réfraction est la déviation de la lumière lorsqu’elle passe d’un milieu transparent à un autre (à l’interface, appelée aussi dioptre).
- Si la lumière passe d’un milieu où elle va plus vite vers un milieu où elle va moins vite (air → eau/verre), le rayon se rapproche de la normale.
- Dans l’autre sens (eau/verre → air), le rayon s’éloigne de la normale.
Un bâton plongé dans l’eau semble cassé à la surface : les rayons lumineux sont déviés en passant de l’eau à l’air.
- La lumière change de direction en traversant l’interface entre deux milieux, ce qui explique de nombreux effets visuels.
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent, ce qui explique la formation des ombres et des pénombres. Elle peut être réfléchie (miroir, murs) ou réfractée en changeant de milieu, selon des lois précises. Ces phénomènes sont modélisés par des rayons lumineux, outils essentiels de l’optique géométrique.