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Lumière


Cet article traite du phénomène physique. Pour le patronyme, voir Frères Lumière.

La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain. Par extension, on appelle parfois « lumière » d'autres ondes électromagnétiques, tels que ceux situés dans les domaines infra-rouge et ultra-violet.


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Cet article de science fait
partie de la série physique
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Sommaire

Théories sur la lumière

La lumière, comme tout phénomène de déplacement, peut se concevoir comme une onde ou comme un flux de particules (appelées en l'occurrence photons).

Les lois de Maxwell, ou à une échelle plus humaine les lois de l'optique géométrique, décrivent bien le comportement de ces ondes. Cette description classique est tout fait valide et très utilisée au sein de la communauté scientifique. Cependant, elle n'explique pas la quantification de l'énergie transportée par le rayonnement, phénomène observé et expliqué par Albert Einstein dès 1913 en postulant l'existence des photons.

Toutefois, la physique moderne considère que chacun de ces photons peut lui-même être considéré comme une onde (ce qu'on appelle la dualité onde-particule ou onde-corpuscule en mécanique quantique).

Vitesse de la lumière

299.792.458 m.s-1 : c'est la vitesse de la lumière dans le vide, ou célérité, souvent note c. C'est la vitesse maximale permise pour tout déplacement d'information ou d'un objet matériel par la théorie de la relativité. Cette propriété a été induite de l'expérience d'interférométrie de Michelson et Morley et a été clairement énoncée par Albert Einstein en 1905.

A noter que cette vitesse est exacte, car elle ne dépend pas d'une mesure (imprécise et susceptible de changement avec des progrès de mesure) mais d'une définition conventionnelle. Cette vitesse donne la longueur du mètre comme distance parcourue par la lumière en 1/299.792.458 de seconde, une seconde étant également défini conventionnellement.

Addition des vitesses et célérité

La loi d'addition des vitesses v'=V+v est à peu près vraie pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière.

Du point de vue de la physique classique, un voyageur marchant dans un train a, par rapport au sol, une vitesse égale à celle du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l'on écrit d =(V+v) t = Vt +vt = la distance parcourue par le train + la distance parcourue dans le train = la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et au sol, ce qui implique la loi classique d'addition des vitesses.

Ceci n'est qu'une approximation, qui devient de plus en plus fausse à mesure que la vitesse v considérée augmente.

Un photon va à la même vitesse c que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train ! La loi V + c = c' est donc fausse dès lors que c = c' pour V différent de zéro. La loi d'addition des vitesses n'est qu'une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (appelée parfois d'addition des vitesses, ou plus correctement loi de composition des vitesses).

Ce résultat est une des caractéristiques de la relativité restreinte ; la loi de composition des vitesses issue des transformations mathématiques de Lorentz donnent à la limite des faibles vitesses (par rapport à la vitesse c) les mêmes résultats que les transformations de Galilée.

Vitesse de la lumière dans les matériaux

A noter : la vitesse de la lumière n'est pas toujours la même dans tous les milieux et dans toutes les conditions. Par exemple, les écarts de vitesse observés entre deux milieux sont à l'origine du phénomène de réfraction qui permet le fonctionnement des lentilles.

Les écarts sont généralement assez faibles, ce qui a permis à beaucoup de gens de parler de vitesse de la lumière au lieu de vitesse de la lumière dans le vide. Mais dans certains cas, une onde lumineuse peut être considérablement ralentie. Les physiciens sont parvenus à ralentir la propagation lumineuse jusqu'à quelques mètres par seconde dans des cas extrêmes.

Utilisation dans le SI

De nos jours, la plupart des unités du système international sont définies à partir de la célérité de la lumière.

Mesure de distance

Une vitesse étant le quotient d'une longueur par une durée, on peut donc définir une distance comme étant le produit d'une durée par une vitesse.

Le mètre, unité du système international de longueur, est très pratique pour mesurer les distances sur la Terre. Cependant, pour les astronomes, il est un peu court. En effet, la Lune, l'astre le plus proche de nous, est à 380 000 000 mètres de nous. Le Soleil, l'étoile la plus proche est à 150 000 000 000 mètres. Ce n'est pas très pratique !! Avec le principe décrit précédemment, on définit l'année-lumière comme étant la distance que la lumière parcourt en 1 an. Ainsi le Soleil n'est plus qu'à 8 minutes-lumière de nous. Et la Lune à seulement un peu plus d'1 seconde-lumière. Les astronomes utilisent couramment l'année-lumière (qui n'est pas une mesure de durée), soit 10 000 000 000 000 000 de mètres (10 millions de milliards de mètres).

Sources de lumière

Il existe de nombreuses sources de lumière, qu'on peut classer de multiples façons. Par exemple :

Lumières naturelles

Lumières artificielles

combustible

électriques

Lumières monochromatiques et lumières polychromatiques

La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques. De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa phase. La longueur d'onde correspond à la couleur de la lumière. Ainsi, une lumière constituée d'ondes de la même longueur d'onde, est dite monochromatique. Si en plus toutes les ondes ont la même phase, alors la lumière est cohérente : c'est ce qui se passe dans un laser.

Vision humaine


Phénomènes optiques

Imagerie

Voir aussi

Dioptre | Doublet | LentilleOptique | Optique géométrique | Miroir | Stigmatisme


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