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Nature de la lumièreNature de la lumière
Que suis-Que suis-je ?je ?
Ondes ?Ondes ?Ondes ?Ondes ? Particules Particules ??
Particules Particules ??
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• L’évolution des idées;
• Nature corpusculaire;
• Nature ondulatoire;
• La mesure de la vitesse de la lumière;
• Le spectre électromagnétique;
• La lumière visible
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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 XVIIème siècle, deux scientifiques avaient des visons différentes sur la nature de la lumière……
Isaac Newton1643 - 1727
La lumière est une particule
Christian Huygens1629 - 1695
Non! La lumière est une
onde
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Ce que l’on devait expliquer…Ce que l’on devait expliquer…
La réflexion et la réfraction de la lumière !
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Newton propose sa « Newton propose sa « théorie théorie corpusculairecorpusculaire » afin d’expliquer ces » afin d’expliquer ces
phénomènes.phénomènes.(source: “(source: “Opticks”, publié par Isaac Newton en 1704)Opticks”, publié par Isaac Newton en 1704)
Je pense que la lumière est composée de petites particules, appelées corpuscules …
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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.
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Explication de la réflexion selon la Explication de la réflexion selon la théorie corpusculairethéorie corpusculaire
Balle Rebond
Lumière Réflexion
MiroirUn 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 l’éloignement du plan.
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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 Explication de la réfraction selon la théorie corpusculairecorpusculaire
Balle Lumière
eau
air
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Selon Newton, la lumière voyage plus vite dans la matière
Comment admettre une théorie Comment admettre une théorie corpusculaire alors que deux faisceaux qui corpusculaire alors que deux faisceaux qui
se croisent ne se dévient pas ?se croisent ne se dévient pas ?
Le mouvement ne pouvant être accompagné d’aucun transport de matière, il est dû à des ondes.
Huygens propose sa « Huygens propose sa « théorie ondulatoirethéorie ondulatoire » afin » afin d’expliquer ces phénomènes. d’expliquer ces phénomènes. (Source: « Principia » 1687)
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Propagation d’une ondePropagation d’une onde
« Chacun des points d’un front d’onde agit comme une source de petites Ondelettes secondaires. À un instant donné ultérieur, l’enveloppe des bords avant des petites ondes forme le nouveau front d’onde. »
« Chacun des points d’un front d’onde agit comme une source de petites Ondelettes secondaires. À un instant donné ultérieur, l’enveloppe des bords avant des petites ondes forme le nouveau front d’onde. »
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Construction d’Huygens pour la Construction d’Huygens pour la réflexionréflexion
Alors = ’
L’angle d’incidence égal l’angle de réflexion.
sin =v × tAB
sin ' =v × tAB
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Construction d’Huygens pour la Construction d’Huygens pour la réfractionréfraction
et
En utilisant v1 = c/n1 et v2 = c/n2 on obtient:
n1 sin 1 = n2 sin 2
sin =v × tAB
sin2 =v2 × tAB
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Selon Huygens, la lumière voyage moins vite dans la matière
Conclusion : L’autorité de Newton laisse la nature ondulatoire de côté durant plus d’un siècle !
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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.
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!
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Variation de la période de Io (lune de Jupiter).
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Terre
TerreJupiter
Jupiter
Soleil
Variation de la période de Io (lune de Jupiter).Lorsque la Terre s’éloigne de Jupiter, la périodeest plus longue, que lorsque la Terre se rapproche de Jupiter (15s).
Ainsi, la variation de 22 minutes mesurée par Römer dans la prédictiondu début de l’éclipse est causée par la distance supplémentaire que doitparcourir la lumière.
Résultats: c = x / t = 2,27 x 108 m/s.17
Thomas YoungThomas Young
La lumière n’est pas une particule!
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C’est en 1800 que Young remet en question l’interprétation corpusculaire de la lumière. En observant les couleurs d’une bulle de savon, il voit s’entremêler deux ondes réfléchies, l’une par la face extérieure et l’autre par la face intérieure. Les vitesses de la lumière sont différentes dans l’air et dans l’eau (comme l’a montré aussi Huygens).
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Distance source-miroir plan 8,63 km.
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Résultats: c = / t = 3,13 x 108 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 /
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Foucault démontre que la vitesse de la lumière dans l’eau est plus petite que la vitesse dans l’air !!!
Vitesse dans l’eau = 3/4 c c = 225 000 000 m/s.
A partir de l'expérience de FOUCAULT, la communauté scientifique était convaincue de la nature ondulatoire de la lumière.
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•Distance source-miroir plan 35 km;•La roue dentée est remplacée par un miroir à 8 faces;
Résultats: c = 2,99796 x 108 m/s. N.B. On utilise c = 3 x 108 m/s24
• En 1860: Théorie électromagnétique de Maxwell
Prédictions d’ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière.
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Gauss
Gauss
Faraday
Ampère-Maxwell
E d
A
Q
0
B d
A 0
E d
l
d B
dt
B d
l 0 I 0
d E
dt
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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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E =Emax sin2π x−
tT
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
B =Bmax sin2π x−
tT
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
c = × fB =Ec
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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 c =
oo
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Le rapport du champ électrique sur le champ magnétique donne la vitesse de la lumière
L’onde électromagnétique transporte de l’énergie qui peut être transférée aux objets qu’elle rencontre sur son passage
c
E
B
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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 creuxconsécutifs.
La fréquence représente le nombre d’oscillations par seconde.
c =300,000 km/ s
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Soit un rayon X dont la fréquence est de 3 x 1018 Hz. Calculez la longueur d’onde de cette onde électromagnétique.
=c
f=
3×108 m / s
3×10 18Hz= 1×10−10 m
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Une onde électromagnétique est donnée par :
a) Déterminez la longueur d’onde 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 10 10 Hertz
c) Déterminez l’amplitude du champ magnétique de cette onde EM
E =25sin2π x0,03
−t
×0−0
⎛
⎝⎜⎞
⎠⎟
B =Ec=
25volt/m3×08m/ s 37
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Heinrich Hertz a été le premier à générer et détecter des ondes électromagnétiques
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Expérience de HertzExpérience de Hertz
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La même expérience (Hertz) qui démontrait la preuve de la natureélectromagnétique de la lumière, apporta la preuve de la naturecorpusculaire.
On observe expérimentalement l’influence de la lumière (des électrodes émettrices) sur les électrodes de la boucle réceptrice.
Effet photoélectrique (Chapitre 9)
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Au lieu de répartir l’énergie d’un faisceau de lumière dans l’espace qu’occupent les ondes électromagnétiques, cette énergie estconcentrée dans un petit paquet (photon).
E f
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Albert EinsteinAlbert Einstein
La lumière une onde? Pas question
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•De Broglie (1924): nature ondulatoire des particules.
•Compton (1923):diffusion des rayons X.
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Louis de BroglieLouis de Broglie
La lumière n’est ni une onde, ni une particule, mais les deux à la fois.
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(ultraviolet) (infrarouge)
Réponse concorde avec le maximum d’émission de la lumière solaire!
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