La lumière
La propagation de la lumière
Il existe deux types de sources lumineuses :
- Les sources de lumière primaires qui émettent leur propre lumière ;
- Les objets diffusants qui renvoient (diffusent) une partie de la lumière qu'ils ont reçue.
Le Soleil est une source primaire de lumière et une fleur est un objet diffusant, car elle renvoie une partie de la lumière qu'elle reçoit.
Modèle du rayon lumineux
Le modèle du rayon lumineux illustre le principe de propagation rectiligne de la lumière. Le rayon est représenté par un trait et une flèche qui indique le sens de propagation de la lumière.
Une source laser émet un faisceau lumineux très fin, que l'on représente par un rayon lumineux se propageant de manière rectiligne.
Une source de lumière émet un faisceau lumineux, composé d'une infinité de rayons lumineux. Un faisceau lumineux est représenté en hachurant la zone délimitée par les deux rayons lumineux extrêmes émis par la source.
Le faisceau lumineux émis par une lampe est délimité par les deux rayons extrêmes qu'elle peut émettre.
Représentation d'un faisceau lumineux
La vitesse de la lumière dépend du milieu dans lequel elle se propage. On considère que la vitesse de la lumière dans le vide et dans l'air est c=300\ 000 \text{ km/s}.
La visibilité des objets et les ombres
Pour qu'un objet soit visible, trois conditions doivent être réunies :
- l'objet doit être éclairé par une source de lumière ;
- l'objet doit diffuser une partie de la lumière reçue ;
- une partie de la lumière diffusée par l'objet doit arriver jusqu'à nos yeux.
Pour l'observateur, la pomme est visible car :
- elle est éclairée par une lampe ;
- elle diffuse la lumière ;
- une partie de la lumière qu'elle diffuse est captée par son œil.
Lorsque la lumière émise par une source ponctuelle rencontre un corps opaque, on peut distinguer une zone éclairée et une zone d'ombre, depuis laquelle l'observateur ne voit pas la source de lumière. L'ombre propre est la zone de l'objet qui ne reçoit pas de lumière et l'ombre portée est la partie d'un écran qui n'est pas éclairée.
Zones éclairées et zones d'ombre
Les différents types de lumière
On distingue plusieurs types d'ondes lumineuses selon leur fréquence ou leur longueur d'onde :
- La lumière visible à laquelle notre œil est sensible est caractérisée par la bande de fréquences : [4{,}3 \times 10^{14}\text{ Hz} ; 7{,}5 \times 10^{14} \text{ Hz}], soit une longueur d'onde comprise entre 400 et 800 nm.
- Les radiations électromagnétiques en dehors de cet intervalle sont invisibles, car non perceptibles par l'œil humain. On peut ainsi parler de lumière invisible.
Les différents types de lumière
Les risques liés à la lumière
Les ondes lumineuses, qu'elles soient visibles ou non, peuvent présenter des risques non négligeables pour notre santé :
- Fixer une source trop intense peut faire subir des séquelles parfois irréversibles sur la rétine, le cristallin ou la cornée de l'œil. Ce risque est d'autant plus grand que nous ne voyons ni les infrarouges ni les ultraviolets.
- Les rayonnements infrarouges intenses peuvent provoquer des brûlures cutanées. Les ultraviolets, et les rayonnements de fréquence plus grande, sont encore plus dangereux, car en générant des mutations de nos cellules, ils peuvent provoquer des cancers.
Les sons
La propagation des sons
Le son se propage par mise en vibration des particules du milieu de propagation. Le son est donc une onde mécanique : il a besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager et il ne peut pas se propager dans le vide (contrairement aux ondes lumineuses).
Lorsqu'un haut-parleur émet un son, la vibration de la membrane est transmise aux couches d'air et se transmet de proche en proche.
Pour qu'un son audible soit perçu, il faut qu'il se propage jusqu'au tympan et qu'il lui transmette sa vibration. Le signal nerveux résultant est ensuite décodé par le cerveau.
La vitesse du son dépend du milieu dans lequel il se propage ainsi que de la température et de la pression. On considère qu'à pression et température standard, la vitesse du son dans le vide et dans l'air est c=340 \text{ m/s}.
Les différents types de sons
On distingue plusieurs types d'ondes sonores selon leur fréquence :
- Les sons audibles, dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz.
- Les infrasons, dont la fréquence est inférieure à 20 Hz.
- Les ultrasons, dont la fréquence est supérieure à 20 kHz.
Les risques liés aux sons
Niveau d'intensité sonore
Le niveau d'intensité sonore, noté L, augmente avec l'intensité sonore et permet de quantifier les risques liés à un son. Son unité est le décibel (dB).
Le niveau d'intensité sonore minimal vaut 0 dB et celui du seuil de douleur est 130 dB.
L'exposition à des ondes sonores peut comporter des risques pour notre santé.
Ces risques ne sont plus négligeables dès lors que l'intensité sonore est élevée et/ou que la durée d'exposition est longue et répétée. Ils peuvent provoquer une perte d'audition temporaire ou durable. Ainsi, on considère les sons dont le niveau sonore est supérieur à 100 dB comme dangereux et qu'il faut limiter l'exposition prolongée à ceux dont le niveau sonore est supérieur à 85 dB.
Riques liés aux sons
La mesure de distance par écho
La propagation d'un signal lumineux ou sonore entre une source et un obstacle permet de mesurer la distance qui les sépare.
Des miroirs ont été déposés sur la Lune lors de missions spatiales. Une onde lumineuse (laser) est envoyée depuis la Terre sur ces miroirs, qui la réfléchissent vers la Terre.
La durée mesurée entre le départ et le retour du signal laser est de 2,56 s. La distance Terre-Lune est donc :
d=\dfrac{c \times \Delta t}{2}
d=\dfrac{300 \ 000 \times2{,}56}{2}
d=384 \ 000 \text{ km}
Lors d'une échographie pratiquée dans le cadre d'une grossesse, on pose une sonde sur le ventre de la patiente. Celle-ci génère des ultrasons qui se transmettent jusqu'au fœtus. Les ultrasons vont alors être réfléchis par les tissus durs (comme les os) du fœtus et revenir vers la sonde qui mesure la durée de cet aller-retour.
Si la durée mesurée entre le départ et le retour des ultrasons est de 6{ ,}7 \times 10-5 \text{ s} et que l'on considère que dans le corps de la patiente les ultrasons se propagent à la vitesse de 1 500 m/s, la distance entre la sonde et le tissu réfléchi est :
d=\dfrac{c \times \Delta t}{2}
d=\dfrac{1 \ 500 \times 6{,}7.10^{-5}}{2}
d=0{,}050 \text{ m}
Soit :
d=5{,}0 \text{ cm}