La LUMIÈRE Théories et Lois élaborées au cours des siècles

1. La LUMIÈRE Théories et Lois élaborées au cours des siècles Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

2. XVII ème Siècle Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

3. Vers 1625 Willebrord Snell (1580-1626) René Descartes (1596-1650) étudient la réfraction de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

4. lois de Snell-Descartes sur la réfraction de la lumière Lorsqu’un rayon incident arrive sur l’interface de deux milieux transparents avec un angle d’incidence i1 milieu 1 i1 Il se divise en deux r • un rayon réfléchi • avec un angle de réflexion r i2 • un rayon transmis • avec un angle de réfraction i2 milieu 2 1ère loi : r = i1 constant 2ème loi : le rapport dépend des deux milieux séparés par le dioptre. La loi de la réfraction avait déjà été mentionnée en 985 par le mathématicien persan Ibn Sahl Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

5. Si i1 = 90  i2i1 Si i1 = 0  i2 = 0 Le rayon lumineux n’est pas dévié Le rayon lumineux est dévié Pour une étoile située au zénith les rayons lumineux entrant dans l’atmosphère terrestre ne sont pas déviés Pour une étoile situé au raz de l’horizon les rayons lumineux entrant dans l’atmosphère terrestre sont déviés d’environ 0,5 ° constant Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

6. 1665 Francesco Grimaldi (1618-1663) met en évidence la diffraction de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

7. Lorsqu’un faisceau de lumière rase les bords d’un corps opaque (petit trou percé dans un écran, cheveux, plumes d'oiseaux etc.) on observe dans le contour de l’ombre de l’objet sur un écran des franges irisées en dehors du trajet géométrique normal. Diffraction par un trou circulaire Diffraction par une pupille triangulaire L’image d’une étoile, source lumineuse ponctuelle, fournie par un instrument n’est jamais un point, mais une petite tache appelée « tâche d’Airy » Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

8. Grimaldi appelle ce phénomène : « diffraction ». Pour l’interpréter, il suggère, dans un traité publié en 1665, la lumière est un fluide en mouvement ondulatoire rapide Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

9. 1666 Isaac Newton (1642-1727) Théorie de la couleur basée sur la décomposition de la lumière blanche Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

10. Newton étudie d’abord le passage des rayons du Soleil à travers un prisme de verre rayons du Soleil entrant dans une chambre obscure par un orifice circulaire trace laissée sur un carton blanc par la lumière du Soleil trace laissée sur un carton blanc par la lumière ayant traversée le prisme Les rayons sont déviés vers la base du prisme et la lumière blanche du Soleil est dispersée en un faisceau de rayons colorés Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

11. Dans le cas d’une lentille, la dispersion de la lumière produit une « aberration chromatique » La distance focale est variable suivant les couleurs. La mise au point ne peut être effectuée simultanément pour toutes les couleurs du spectre. L’image d'un objet blanc est floue et ses contours sont irisés. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

12. Conséquence : dans une lunette astronomique, telle que celle de Galilée (1609), les images sont entachée d’aberrations chromatiques Newton contourna le problème en construisant en 1668 un télescope à réflexion par miroir concave (amélioration d’un modèle présenté en 1660 par James Gregory) Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

13. De 1670 à 1672, Newton étudie la décomposition et recomposition de la lumière blanche Est-ce le verre du prisme qui colore le faisceau de lumière ou est-ce la lumière qui contient en elle-même la couleur ? Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

14. Expérience    Spectre coloré Lumière blanche Spectre coloré Lumière blanche Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

15. Expérience La lumière blanche contient en elle-même les couleurs de l’arc-en-ciel Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

16. Dans un volumineux ouvrage en trois tomes "Opticks » publié en 1704, Newton écrit : la lumière blanche que l’on voit est en réalité un mélange d'une infinité de couleurs « pures ». et chaque lumière "pure" a un degré de réfrangibilité spécifique. c’est-à-dire que le changement de direction qu’éprouve une lumière en passant d’un milieu dans un autre, dépend de sa couleur . Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

17. Newton chercha à expliquer ses observations expérimentales par une théorie corpusculaire de la lumière : « flux de petites particules se propageant en ligne droite à une vitesse finie » Cette théorie explique simplement les phénomènes de réflexion, mais ne permet pas d’interpréter les phénomènes de réfraction à travers un prisme ou encore de diffraction. Cette théorie ne fut cependant abandonnée qu'un siècle plus tard. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

18. 1670 Découverte de la biréfringence du spath d’Islande Image ordinaire (1625-1698) Si l’on fait tourner le cristal l’image ordinaire reste fixe tandis que l’image extraordinaire tourne et disparait Image extraordinaire La biréfringence ne sera expliquée que plus tard, par la théorie ondulatoire de la lumière ( Huygens en 1678 et Fresnel en 1815 ) Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

19. 1676 Ole Römer (1644-1710) montre que la lumière se déplace avec une vitesse finie Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

20. Römer observe depuis l'Observatoire de Paris les satellites de Jupiter découverts par Galilée en 1610 En multipliant les observations sur la durée d'une année il constate que la période mesurée de rotation de IO autour de Jupiter dépend de la position de la Terre sur sa trajectoire autour du Soleil. Römer comprit alors qu'il fallait tenir compte du temps de parcours de la lumière pour aller de Io à la Terre. L'idée d'une vitesse finie pour la lumière était définitivement acquise Mais Römer ne donne aucune valeur numérique pour la vitesse de la lumière. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

21. 1725 James Bradley (1693-1762) Découvre l’aberration de la lumière et confirme que la vitesse de la lumière est finie Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

22. Bradley cherchait à déterminer les distances des étoiles par la méthode des parallaxes. Il observa nuit après nuit l’étoile γ Draconis dans la constellation du Dragon, proche du zénith. Au bout d'une année, les positions successives de l’étoile, observée depuis la Terre, forment une petite ellipse dont le grand axe est parallèle au plan de l'écliptique et mesure 41". Bradley découvrit le phénomène en 1725 mais il lui fallut près de deux ans avant de le comprendre et de le publier Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

23. De 1725 à 1727, Bradley observe plusieurs autres étoiles Pour toutes les étoiles, il constate que le grand axe de l'ellipse est toujours parallèle au plan de l'écliptique et mesure 41". Le phénomène ne dépend pas de la distance de l'étoile à la Terre mais seulement de son angle par rapport à l’écliptique Ce n’est donc pas un effet de parallaxe mais un phénomène lié au déplacement annuel de la Terre. positions apparentes dans le ciel de trois étoiles de même longitude écliptique 270° et de latitudes écliptiques respectives : 90°, 45° et 0° Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

24. Bradley explique le phénomène par la combinaison de la vitesse de la lumière avec celle de la Terre. Il découvre ainsi : « l’aberration de la lumière » la direction apparente d'une source lumineuse dépend de la vitesse de celui qui l'observe L’aberration observée avec les étoiles montre que La Terre est en mouvement par rapport aux étoiles et La vitesse de la lumière est finie Bradley évalua que la vitesse de la lumière valait 10 188 fois celle de la Terre Mais la vitesse de déplacement de la Terre n'est pas connue à cette époque Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

25. XVII ème siècle Loi sur la réfraction Décomposition de la lumière blanche Hypothèse sur la théorie ondulatoire XVIII ème siècle Aberration de la lumière XIX ème Siècle Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

26. 1800 William Herschell (1738-1822) Découvre le rayonnement infrarouge émis par le Soleil Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

27. Herschel place un thermomètre à mercure dans les différentes bandes du spectre obtenu par un prisme de verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur.    Sur une table où se projette le spectre solaire : trois thermomètres.  et sont utilisés comme étalons pour mesurer les variations de la température ambiante  est utiliser pour mesurer l'élévation de température dans chacune des bandes colorées du spectre. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

28. la température continue à augmenter alors que le thermomètre est en dehors du spectre visible du côté de la couleur rouge. Le Soleil émet donc un rayonnement au-delà du rouge Ce rayonnement est appelé « Infra Rouge » Herschell a montré qu’un « rayon calorique » peut être réfléchi, dévié par un prisme comme un rayon de lumière visible. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

29. Le rayonnement I.R. des étoiles est difficilement observable au sol car il est absorbé par la vapeur d’eau de l’atmosphère terrestre. Un télescope spatial, lancé le 14 mai 2009, depuis Kourou, par un lanceur Ariane, a été baptisé Herschel Il permettra d’en savoir plus sur la naissance des étoiles, l'évolution des galaxies ainsi que sur les nuages de gaz et de poussières où naissent les étoiles, les disques protoplanétaires et les molécules organiques complexes dans la chevelure des comètes. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

30. 1801 Thomas Young (1773-1829) étudie les franges d’interférence obtenues avec deux faisceaux de lumière issus d'une même source et relance la théorie ondulatoire de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

31. Young fait passer un faisceau de lumière monochromatique à travers deux fentes parallèles. La lumière est diffractée au passage des fentes  La lumière se propage par ondes. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

32. 1802 William Wollaston (1766-1828) observe pour la première fois des raies sombres dans le spectre solaire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

33. Wollaston invente un réfractomètre (prisme + goniomètre) pour mesurer des indices de réfraction Il remarque 7 raies sombres sur le fond continu du spectre du Soleil. Mais il ne les étudie pas systématiquement et n’émet pas d'hypothèses sur leurs origines. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

34. 1809 - 1810 Étienne Malus (1775-1812) Découverte la polarisation de la lumière par réflexion Et théorie de la double réfraction de la lumière dans un cristal Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

35. 1814 Joseph von Fraunhofer (1787-1826) Invente le spectroscope et les réseaux optiques Étudie les raies obscures du spectre solaire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

36. le premier spectroscope Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

37. Fraunhofer fabrique le premier réseau optique de diffraction constitué de fils de fer tendus sur deux vis Deux vis à pas très fin (< 0,01mm) Un fil métallique très fin bobiné filet par filet Il se sert de ces réseaux pour étudier le spectre solaire. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

38. Fraunhofer découvre : • 354 raies obscures fixes les unes par rapport aux autres carte du spectre solaire, dessinée par Fraunhofer. Cette découverte marque la naissance de la spectroscopie stellaire Comment peut-on interpréter la présence de ces raies ? Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

39. 1815 Augustin Fresnel (1788-1827) Effectue des mesures précises sur les figures d'interférences et de diffraction et fait triompher la théorie ondulatoire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

40. Une onde est un phénomène périodique qui se propage La distance parcourue par l’onde au cours d’une période T avec une vitesse V est appelée « longueur d’onde »  fréquence de la radiation Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

41. La vitesse V de propagation de l’onde dépend des grandeurs physiques du milieu Milieu (1) Milieu (2) La lumière se déplace moins vite dans l’eau que dans l’air Indice relatif du milieu (2) par rapport au milieu (1) Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

42. La direction de propagation de l’onde, perpendiculaire à sa surface, est déviée lors de son passage d’un milieu à un autre milieu Milieu (1) i1 i2 i1 Milieu (2) i2 Ceci est la 2ème loi de Snell-Descartes sur la réfraction La lumière des étoiles subit la réfraction quand elle traverse l’atmosphère terrestre. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

43. L’angle de déviation dépend de la couleur du rayon lumineux la lumière blanche est un mélange d'une infinité de couleurs « pures ». air verre Quand des rayons de lumière blanche pénètrent dans le verre, les rayons bleus sont plus déviés que les rayons rouges (sin i2 )bleu (sin i2 )rouge Dans un prisme, la lumière franchit deux dioptres, ce qui augmente la dispersion des couleurs. (n2/1)bleu ( n2/1)rouge Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

44. Dans les expériences d’interférence l’écartement des franges varie en fonction de la couleur de la lumière. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

45. L’interfrange dépend de la distance D écran-fentes de l’ écart a des deux fentes et de la longueur d’onde  de la lumière a La couleur d’une lumière est associée à sa longueur d’onde La mesure de l’interfrange permet de connaître la longueur d’onde d’une lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

46. en 1818 Fresnel dépose un mémoire où se trouve le principe d'Huygens-Fresnel chaque point P d'une surface d'onde se comporte comme une source ensuite les ondelettes sphériques émises par ces sources secondaires interférent diffraction d'onde réfraction d'onde Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

47. Lors du passage de la lumière à travers un trou, plus la taille du trou diminue, plus l'effet de la diffraction est visible. La figure de diffraction observée résulte de l'interférence des ondes émises par l'ensemble des sources secondaires Dans le cas particulier d'un trou parfaitement circulaire, la figure de diffraction, appelée tache d'Airy, présente un disque central, et des cercles concentriques de plus en plus atténués. Le rayon du 1er zéro (cercle sombre) est lié à la longueur d'onde λ et à l'ouverture numérique d du dispositif : Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

48. La diffraction limite le pouvoir de résolution des instruments optiques . Si deux détails d'un objet sont trop proches, les taches de diffraction se chevauchent et il devient impossible d'obtenir des images séparées de ces détails. Pour un télescope de 10 mètres de diamètre, le pouvoir de résolution théorique est d'environ 0,015 seconde dans la bande visible du spectre, mais il ne peut être atteint en raison de la turbulence atmosphérique qui « floute » les images . Afin d'obtenir une meilleure résolution, on utilise des télescopes de plus grand diamètre ou on utilise l’interférométrie entre des télescopes distants. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

49. Le principe d'Huygens-Fresnel explique le fonctionnement des réseaux de diffraction Les ondes incidentes sont diffractées par le réseau a Les ondes émergeantes interférent entre elles Elles donnent un maximum de lumière dans plusieurs directions telles que : sin  = n.k. ou avec n = 1/a, nombre de traits par unité de longueur Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

50. Si la lumière incidente est blanche, elle contient toutes les couleurs rouge = 0,8 m sin  = n.k.  rouge  violet violet = 0,4 m La lumière blanche est dispersée Un réseau donne plusieurs spectres d’ordre différents Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon