Comprendre la lumière nous permet de comprendre comment nous voyons, percevons les couleurs et corrigeons même notre vision avec des lentilles. Le domaine deoptiquefait référence à l'étude de la lumière.
Qu'est-ce que la lumière ?
Dans le langage courant, le mot "lumière" signifie souventlumière visible, qui est le type perçu par l'œil humain. Cependant, la lumière se présente sous de nombreuses autres formes, dont la grande majorité ne peut pas voir.
La source de toute lumière est l'électromagnétisme, l'interaction des champs électriques et magnétiques qui imprègnent l'espace.Les ondes lumineusessont une forme deun rayonnement électromagnétique; les termes sont interchangeables. Plus précisément, les ondes électromagnétiques sont des oscillations auto-propagatives dans les champs électriques et magnétiques.
En d'autres termes, la lumière est une vibration dans un champ électromagnétique. Il traverse l'espace comme une vague.
Conseils
La vitesse de la lumière dans le vide est de 3 × 108 m/s, la vitesse la plus rapide de l'univers !
C'est une caractéristique unique et bizarre de notre existence que rien ne voyage plus vite que la lumière. Et bien que toute lumière, qu'elle soit visible ou non, voyage à la même vitesse, lorsqu'elle rencontrematière, ça ralentit. Parce que la lumière interagit avec la matière (qui n'existe pas dans le vide), plus la matière est dense, plus elle se déplace lentement.
Les interactions de la lumière avec la matière suggèrent une autre de ses caractéristiques importantes: sa nature particulaire. L'un des phénomènes les plus étranges de l'univers, la lumière est en fait deux choses à la fois: une onde et une particule. Cettedualité onde-particulerend l'étude de la lumière quelque peu dépendante du contexte.
Parfois, les physiciens trouvent qu'il est très utile de considérer la lumière comme une onde, en lui appliquant une grande partie des mêmes mathématiques et propriétés qui décrivent les ondes sonores et autres ondes mécaniques. Dans d'autres cas, la modélisation de la lumière en tant que particule est plus appropriée, par exemple lorsque l'on considère sa relation avec les niveaux d'énergie atomique ou le chemin qu'elle empruntera lorsqu'elle se reflétera sur un miroir.
Le spectre électromagnétique
Si toute lumière, visible ou non, est techniquement la même chose – rayonnement électromagnétique – qu'est-ce qui distingue un type d'un autre? Ses propriétés ondulatoires.
Les ondes électromagnétiques existent dans un spectre de différentes longueurs d'onde et fréquences. En tant qu'onde, la vitesse de la lumière suit l'équation de la vitesse de l'onde, où la vitesse est égale au produit de la longueur d'onde et de la fréquence :
v-\lambda f
Dans cette équation,vest la vitesse des ondes en mètres par seconde (m/s),λest la longueur d'onde en mètres (m) etFest la fréquence en hertz (Hz).
Dans le cas de la lumière, cela peut être réécrit avec la variablecpour la vitesse de la lumière dans le vide :
c=\lambda f
Conseils
cest une variable spéciale représentant la vitesse de la lumière dans le vide. Dans d'autres médias (matériaux), la vitesse de la lumière peut être exprimée en fraction dec.
Cette relation implique que la lumière peut avoir n'importe quelle combinaison de longueur d'onde ou de fréquence, tant que les valeurs sont inversement proportionnelles et que leur produit est égal àc. En d'autres termes, la lumière peut avoir ungrandefréquence et unepetitlongueur d'onde, ou vice versa.
À différentes longueurs d'onde et fréquences, la lumière a des propriétés différentes. Ainsi, les scientifiques ont divisé le spectre électromagnétique en segments représentant ces propriétés. Par exemple, les très hautes fréquences de rayonnement électromagnétique, comme les rayons ultraviolets, les rayons X ou les rayons gamma, sont très énergétiques – suffisamment pour pénétrer et endommager les tissus corporels. D'autres, comme les ondes radio, ont des fréquences très basses mais des longueurs d'onde élevées, et elles traversent les corps sans entrave tout le temps. (Oui, le signal radio transportant les morceaux de votre DJ préféré dans les airs jusqu'à votre appareil est une forme de rayonnement électromagnétique – la lumière !)
Les formes de rayonnement électromagnétique des longueurs d'onde plus longues/fréquences plus basses/basse énergie aux longueurs d'onde plus courtes/fréquences plus élevées/haute énergie sont :
- Les ondes radio
- Micro-ondes
- Ondes infrarouges
- Lumière visible
- Lumière ultraviolette
- rayons X
- Rayons gamma
[insérer le diagramme du spectre EM]
Le spectre visible
Le spectre de la lumière visible s'étend sur des longueurs d'onde de 380 à 750 nanomètres (1 nanomètre équivaut à 10-9 mètres – un milliardième de mètre, soit environ le diamètre d'un atome d'hydrogène). Cette partie du spectre électromagnétique comprend toutes les couleurs de l'arc-en-ciel – rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet – qui sont visibles à l'œil nu.
[Inclure un diagramme avec une éruption du spectre visible]
Parce que le rouge a la longueur d'onde la plus longue des couleurs visibles, il a également la fréquence la plus petite et donc l'énergie la plus faible. L'inverse est vrai pour les bleus et les violets. Parce que l'énergie des couleurs n'est pas la même, leur température non plus. En effet, la mesure de ces différences de température dans la lumière visible a conduit à la découverte de l'existence d'autres lumièresinvisibleaux humains.
En 1800, Sir Frederick William Herschel a conçu une expérience pour mesurer la différence de température pour différentes couleurs de lumière solaire qu'il a séparées à l'aide d'un prisme. Bien qu'il ait effectivement trouvé des températures différentes dans différentes régions de couleur, il a été surpris de voir les plus chaudes température de tous enregistrées sur le thermomètre juste au-delà du rouge, où il ne semblait y avoir aucune lumière à tout. Ce fut la première preuve qu'il existait plus de lumière que les humains ne pouvaient en voir. Il a nommé la lumière dans cette régioninfrarouge, qui se traduit directement par "en dessous du rouge".
La lumière blanche, généralement ce que dégage une ampoule standard, est une combinaison de toutes les couleurs. Le noir, en revanche, est leabsencede n'importe quelle lumière - pas vraiment une couleur du tout !
Fronts d'onde et rayons
Les ingénieurs optiques et les scientifiques considèrent la lumière de deux manières différentes lorsqu'ils déterminent comment elle rebondira, se combinera et se concentrera. Les deux descriptions sont nécessaires pour prédire l'intensité finale et l'emplacement de la lumière lorsqu'elle se concentre à travers des lentilles ou des miroirs.
Dans un cas, les opticiens considèrent la lumière comme une série defronts d'onde transversaux, qui répètent des ondes sinusoïdales ou en forme de S avec des crêtes et des creux. C'est leoptique physiqueapproche, car elle utilise la nature ondulatoire de la lumière pour comprendre comment la lumière interagit avec elle-même et conduit à des modèles d'interférence, de la même manière que les vagues dans l'eau peuvent intensifier ou annuler une un autre dehors.
L'optique physique a commencé après 1801 lorsque Thomas Young a découvert les propriétés des ondes de la lumière. Il aide à expliquer le fonctionnement d'instruments optiques tels que les réseaux de diffraction, qui séparent les spectre de la lumière dans ses longueurs d'onde composantes, et les lentilles de polarisation, qui bloquent certains longueurs d'onde.
L'autre façon de penser à la lumière est comme unrayon, un faisceau suivant une trajectoire rectiligne. Un rayon est tracé comme une ligne droite émanant d'une source lumineuse et indiquant la direction dans laquelle la lumière se déplace. Exprimer la lumière sous forme de rayon est utile pouroptique géométrique, qui se rapporte davantage à la nature particulaire de la lumière.
Dessiner des diagrammes de rayons montrant le chemin de la lumière est essentiel pour concevoir des outils de focalisation de la lumière tels que des lentilles, des prismes, des microscopes, des télescopes et des caméras. L'optique géométrique existe depuis plus longtemps que l'optique physique – en 1600, à l'époque de Sir Isaac Newton, les verres correcteurs pour la vision étaient monnaie courante.