Sources et propagation de la lumière : cours de 5e

Tu allumes ta lampe de chevet, et ta chambre apparaît. Tu éteins, et tout disparaît. Pourtant les meubles n'ont pas bougé. Ce qui a changé, c'est la lumière. Ce cours répond à trois questions simples : d'où vient la lumière, comment voyage-t-elle, et comment la dessine-t-on ?

Ces questions sont très anciennes. Une animation pédagogique inspirée d'Alhazen, savant du Moyen Âge, demande si un chameau peut voir un palmier ou une bougie. Les documents pédagogiques qui racontent son travail posent la question finale : comment se propage la lumière, et comment la représente-t-on ?³ Tu vas y répondre toi-même à la fin du chapitre.

Le Soleil en est l'exemple le plus connu. Dans l'histoire d'Alhazen, le chameau voit le Soleil parce que celui-ci fabrique sa propre lumière.³ Une bougie allumée, une lampe de poche allumée, l'écran d'un téléphone allumé sont aussi des sources primaires. Si tu éteins la lampe, elle cesse d'être une source : elle ne produit plus de lumière.

Ton cahier, un mur, un arbre, la Lune sont des objets diffusants. On les voit seulement s'ils sont éclairés. Dans une pièce plongée dans le noir complet, ton cahier devient invisible, alors qu'une lampe allumée, elle, se voit toujours.

Cette idée est très ancienne. Les connaissances sur la propagation en ligne droite sont déjà établies à l'époque d'Aristote.⁴ Bien plus tard, Christian Huygens s'étonnait que personne n'ait encore expliqué pourquoi la lumière ne s'étend que suivant des lignes droites.⁵ Tu vois ainsi que ce qui te paraît évident a demandé beaucoup de réflexion.

Tu peux le vérifier chez toi. Avec une lampe de poche dans une pièce sombre, la lumière dessine un faisceau net. Si tu places devant la lampe un carton percé d'un petit trou, puis un second carton percé lui aussi, tu ne verras la lumière sortir du second que si les deux trous et la lampe sont alignés. Si tu décales un carton, la lumière est arrêtée.

Ce comportement explique les ombres. Quand un objet opaque se trouve entre une source et un écran, la lumière ne passe pas à travers et ne contourne pas l'objet : la zone derrière l'objet reste sombre. La forme de l'ombre reproduit celle de l'objet parce que les trajets sont rectilignes.

Un rayon lumineux n'existe pas comme un fil dans l'air : c'est un modèle, c'est-à-dire un dessin simplifié qui aide à raisonner. Le physicien choisit de ne garder que ce qui l'intéresse, ici la direction suivie par la lumière. Un faisceau de lampe de poche peut être représenté par plusieurs rayons côte à côte.

Pendant longtemps, des savants ont imaginé que l'œil lançait des « rayons visuels » vers les objets. Huygens, lui, s'étonnait que personne n'ait encore expliqué comment des rayons venus de tous côtés se croisent sans se gêner.⁵ Le raisonnement moderne est inverse : c'est la lumière qui arrive dans ton œil.

Le récit d'Alhazen pose une situation piège : le texte demande si l'on voit une bougie, et la réponse dépend de ce que la lumière peut faire sur son trajet.³ Retiens la méthode : on cherche toujours d'où vient la lumière, par où elle passe, et si elle arrive à l'œil.

La lumière traverse l'air, l'eau, le verre, et aussi le vide. Dans le vide, elle se déplace en ligne droite à une vitesse qui ne varie jamais.⁴ Dans les autres milieux, elle va toujours plus lentement.⁴

Tu étudieras plus tard la valeur de cette vitesse. Pour l'instant, retiens une comparaison utile : la lumière est beaucoup plus rapide que le son dans l'air. Les activités pédagogiques sur les signaux invitent d'ailleurs à comparer les durées de propagation de la lumière et du son pour valider une mesure.¹ C'est pourquoi tu vois l'éclair avant d'entendre le tonnerre.

La lumière que ton œil perçoit s'appelle la lumière visible. Elle n'est pas le seul rayonnement existant. On parle aussi de lumière infrarouge et de lumière ultraviolette, qui échappent à la vue, et le terme « lumière visible » sert à éviter la confusion.⁴ Le programme de la classe invite à découvrir différents types de rayonnements, dont la lumière visible et le rayonnement infrarouge.²

La lumière du Soleil transporte une grande partie de l'énergie qui arrive à la surface de la Terre, y compris par des rayonnements invisibles.⁴ Elle est aussi la première source d'énergie des écosystèmes terrestres par la photosynthèse.⁴ La lumière n'est donc pas seulement utile pour voir.

Comprendre la lumière a pris des siècles. Au XVIIe siècle, Fermat est parmi les premiers à penser que la vitesse de la lumière est finie, et Rømer la calcule en 1676 à partir de l'orbite de Io.⁴ Newton, lui, imaginait en 1704 des faisceaux faits de grains de lumière.⁴ Huygens, de son côté, voyait la lumière comme des ondes qui se propagent à la manière des ondes sonores.⁵