La propagation rectiligne de la lumière

1. Un milieu transparent et homogène

La lumière se déplace (on dit qu'elle se propage) dans le vide (entre le Soleil et la Terre, par exemple) et dans certains milieux matériels : l'air, l'eau, le verre.

• Un milieu transparent est un milieu qui laisse passer la lumière et à travers lequel on voit nettement les objets (l'air, l'eau claire, le verre).
• Un milieu homogène est un milieu qui a les mêmes propriétés en tous ses points (même composition, même température). L'air calme d'une pièce, l'eau d'un seau au repos ou un morceau de verre sont homogènes.

2. L'expérience des trois écrans

On aligne une lampe et trois écrans de carton percés chacun d'un petit trou, puis on regarde derrière le dernier écran.

• Si les trois trous et la lampe sont sur une même droite (on peut le vérifier en passant un fil tendu dans les trous), l'œil voit la lampe.
• Si l'on déplace un seul écran, même un peu, l'œil ne voit plus la lampe.

Conclusion : pour aller de la lampe à l'œil, la lumière suit une ligne droite. Si le chemin droit est bloqué, elle ne « contourne » pas l'écran.

On peut aussi le constater directement : dans une pièce un peu poussiéreuse ou enfumée, le trait lumineux d'une lampe torche ou d'un rayon de soleil est rectiligne. La poussière diffuse un peu de lumière vers nos yeux, ce qui rend le trajet visible.

3. Le principe de la propagation rectiligne

Principe. Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite.

Les deux conditions sont importantes. Si le milieu n'est pas homogène, la lumière peut changer de direction ou se courber :

• quand la lumière passe de l'air à l'eau, elle change de direction à la surface : un bâton plongé dans un seau d'eau paraît « cassé » (tu étudieras ce phénomène, la réfraction, en 10e) ;
• au-dessus d'une route goudronnée brûlante, en saison sèche, l'air près du sol est beaucoup plus chaud que l'air au-dessus : le milieu n'est plus homogène, la lumière se courbe légèrement et l'on croit voir une flaque d'eau sur la route. C'est un mirage.

4. Première application : la visée

Viser, c'est placer l'œil de façon que plusieurs objets soient sur la même droite que lui. Comme la lumière va en ligne droite, si le premier objet cache tous les autres, c'est que l'œil et les objets sont alignés.

Applications : aligner des piquets ou des poteaux électriques, planter des rangées de manguiers bien droites, viser avec un fusil de chasse (le guidon, la hausse et la cible doivent être alignés), le géomètre qui borne un terrain avec sa lunette.

5. Deuxième application : la chambre noire

Une chambre noire est une boîte opaque, fermée, percée d'un petit trou sur une face ; la face opposée est un écran translucide (papier calque).

Chaque point de l'objet éclairé envoie de la lumière dans toutes les directions. Mais seule la lumière qui passe par le trou entre dans la boîte, et elle continue en ligne droite jusqu'à l'écran.

• La lumière venant du haut de l'objet passe par le trou et arrive en bas de l'écran.
• La lumière venant du bas de l'objet arrive en haut de l'écran.

L'image obtenue est donc renversée (à l'envers de haut en bas, et aussi inversée de gauche à droite).

Calcul de la taille de l'image. Soit :

• AB la hauteur de l'objet et d sa distance au trou ;
• A'B' la hauteur de l'image et d' la distance du trou à l'écran (la profondeur de la boîte).

Les triangles OAB et OA'B' ont la même forme (les côtés AB et A'B' sont parallèles) : c'est une situation de Thalès. On a donc :

A'B'AB = d'd, d'où A'B' = AB × d'd.

Plus l'objet est loin, plus son image est petite. Plus la boîte est profonde, plus l'image est grande.

Et la taille du trou ? Avec un petit trou, l'image est nette mais peu lumineuse. Si on agrandit le trou, chaque point de l'objet donne une petite tache au lieu d'un point : l'image devient plus lumineuse mais floue.