Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 22
L'analyse de la lumière blanche
Je sais décomposer la lumière blanche avec un prisme, nommer les couleurs de son spectre dans l'ordre et expliquer la formation de l'arc-en-ciel.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire l'expérience de la décomposition de la lumière blanche par un prisme
- Nommer dans l'ordre les couleurs du spectre de la lumière blanche
- Distinguer lumière polychromatique et lumière monochromatique
- Expliquer la formation d'un arc-en-ciel
Avant de commencer : Les sources de lumière ; la propagation rectiligne ; rayons et faisceaux lumineux.
1Je découvre
Fin juillet, en pleine saison des pluies, une averse vient de s'arrêter sur Mamou. Le soleil de l'après-midi réapparaît derrière Hawa, tandis que devant elle le ciel reste gris et chargé de gouttes. Soudain, un immense arc coloré se dessine au-dessus des collines : rouge à l'extérieur, violet à l'intérieur.
Le lendemain, en classe, le professeur place un morceau de verre taillé en forme de triangle, un prisme, sur le trajet d'un faisceau de lumière du Soleil qui entre par la fenêtre. Sur le mur blanc apparaît une bande colorée avec exactement les mêmes couleurs que l'arc-en-ciel, dans le même ordre.
Pourtant, la lumière du Soleil paraît blanche, sans couleur. D'où viennent ces couleurs ? Le prisme et les gouttes de pluie les fabriquent-ils, ou étaient-elles déjà cachées dans la lumière ?
Que contient la lumière blanche, et comment le montrer ?
2Je comprends
1. L'expérience du prisme
Un prisme est un bloc de verre (ou de plastique) transparent, limité par deux faces planes non parallèles. Sa section a le plus souvent la forme d'un triangle.
Expérience. On envoie un pinceau de lumière blanche (lumière du Soleil ou d'une lampe à incandescence, passée à travers une fente) sur une face du prisme. On place un écran blanc derrière le prisme.
Observations.
- Le faisceau qui sort du prisme est dévié vers la base du prisme (le côté le plus épais).
- Il est aussi étalé : sur l'écran, on n'obtient pas une tache blanche mais une bande colorée.
Cette bande colorée s'appelle le spectre de la lumière blanche. Obtenir ce spectre, c'est analyser (ou décomposer) la lumière blanche.
2. Le spectre de la lumière blanche
Le spectre de la lumière blanche est un spectre continu : les couleurs passent de l'une à l'autre sans interruption, sans bande noire. Traditionnellement, depuis le savant anglais Isaac Newton, on y distingue sept couleurs principales, dans cet ordre :
rouge – orangé – jaune – vert – bleu – indigo – violet.
Pour les retenir, on peut utiliser les initiales : R O J V B I V.
- 1Rouge : la couleur la moins déviée par le prisme.
- 2Orangé
- 3Jaune
- 4Vert
- 5Bleu
- 6Indigo
- 7Violet : la couleur la plus déviée par le prisme.
En réalité, il existe une infinité de nuances entre ces couleurs : le chiffre « sept » est une convention pour les nommer.
Au-delà du rouge et au-delà du violet, il existe des rayonnements que l'œil ne voit pas : l'infrarouge (qui chauffe, comme le rayonnement d'un feu de bois) et l'ultraviolet (qui fait bronzer et peut brûler la peau et les yeux).
3. Le prisme ne fabrique pas les couleurs : il les sépare
On pourrait croire que le verre du prisme « colore » la lumière. L'expérience suivante, déjà réalisée par Newton, montre que non.
On isole avec un écran percé une seule couleur du spectre, par exemple le vert, et on l'envoie sur un second prisme. Résultat : la lumière verte est encore déviée, mais elle n'est plus décomposée ; sur l'écran, on obtient seulement une tache verte.
Conclusion : les couleurs étaient déjà présentes dans la lumière blanche. Le prisme ne fait que les séparer, parce qu'il dévie chaque couleur d'un angle différent. Ce phénomène s'appelle la dispersion de la lumière.
4. Lumière polychromatique et lumière monochromatique
- Une lumière polychromatique est composée de plusieurs couleurs (« poly » = plusieurs, « chroma » = couleur). La lumière blanche est polychromatique : elle est un mélange de toutes les couleurs du spectre.
- Une lumière monochromatique est composée d'une seule couleur (« mono » = une seule). Elle n'est pas décomposée par un prisme. Exemples : la lumière d'un laser, une couleur isolée du spectre.
- Plusieurs couleurs mélangées
- Décomposée par un prisme
- Exemple : lumière du Soleil, lampe à incandescence
- Une seule couleur
- Déviée mais non décomposée par un prisme
- Exemple : lumière d'un laser
5. L'arc-en-ciel
L'arc-en-ciel est une décomposition naturelle de la lumière du Soleil. Chaque goutte de pluie agit comme un petit prisme : la lumière du Soleil entre dans la goutte, se réfléchit sur le fond de la goutte, puis ressort en étant décomposée. Des milliers de gouttes renvoient chacune une couleur vers l'œil de l'observateur.
Conditions pour voir un arc-en-ciel :
- il faut du Soleil et des gouttes d'eau dans l'air (pluie, bruine, embruns d'une cascade comme au voile de la Mariée près de Kindia, ou jet d'eau d'un tuyau d'arrosage) ;
- l'observateur doit avoir le Soleil dans le dos et les gouttes devant lui ;
- le Soleil ne doit pas être trop haut dans le ciel : on le voit surtout le matin ou en fin d'après-midi.
Dans l'arc-en-ciel principal, le rouge est à l'extérieur de l'arc et le violet à l'intérieur.
On observe aussi une décomposition de la lumière sur une bulle de savon, sur une tache d'huile dans une flaque, ou sur la face gravée d'un disque compact. Ce sont d'autres phénomènes, mais ils montrent eux aussi que la lumière blanche contient des couleurs.
Méthode
Pour décrire une expérience de décomposition de la lumière :
- Je nomme le matériel : source de lumière blanche, fente, prisme, écran.
- Je fais un schéma : pinceau incident, prisme, faisceau émergent dévié vers la base.
- J'écris les observations : un spectre continu, avec les couleurs du rouge (moins dévié) au violet (plus dévié).
- Je conclus : la lumière blanche est polychromatique, c'est un mélange de couleurs que le prisme sépare.
Exemple
On envoie successivement sur un prisme la lumière d'une lampe de bureau et la lumière rouge d'un pointeur laser. Qu'observe-t-on sur l'écran dans chaque cas, et que peut-on conclure ?
Lampe de bureau (lumière blanche) : on observe un spectre continu du rouge au violet. Cette lumière est polychromatique.
Pointeur laser rouge : on observe un seul point rouge, dévié mais non étalé. Cette lumière est monochromatique.
Exemple
Un après-midi, Ibrahima voit un arc-en-ciel à l'est. Où se trouve le Soleil ? Quelle couleur voit-il en haut de l'arc ?
Pour voir un arc-en-ciel, il faut avoir le Soleil dans le dos : le Soleil est donc à l'ouest, ce qui est normal l'après-midi.
En haut de l'arc principal, c'est-à-dire sur le bord extérieur, il voit le rouge ; le violet est sur le bord intérieur.
3Je retiens
Je retiens
Un prisme dévie la lumière vers sa base et la décompose : c'est l'analyse de la lumière blanche.
Le spectre de la lumière blanche est continu : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet (R O J V B I V).
Le rouge est la couleur la moins déviée, le violet la plus déviée.
La lumière blanche est polychromatique : c'est un mélange de toutes les couleurs du spectre.
Une lumière monochromatique (laser) n'est pas décomposée par un prisme.
Le prisme ne crée pas les couleurs, il les sépare : c'est la dispersion.
L'arc-en-ciel : les gouttes de pluie décomposent la lumière du Soleil ; il faut avoir le Soleil dans le dos.
4Erreurs fréquentes
- Dire que le prisme « colore » la lumière : les couleurs existent déjà dans la lumière blanche, le prisme les sépare.
- Inverser l'ordre des déviations : c'est le violet le plus dévié et le rouge le moins dévié.
- Croire qu'on voit un arc-en-ciel en regardant vers le Soleil : il faut au contraire avoir le Soleil dans le dos.
- Oublier que le spectre de la lumière blanche est continu : il n'y a pas de bandes noires entre les couleurs.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Cite, dans l'ordre, les sept couleurs du spectre de la lumière blanche, en commençant par la couleur la moins déviée.
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Rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet.
2Exercice 2
Définis : prisme, spectre, lumière polychromatique, lumière monochromatique.
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- Prisme : bloc transparent limité par deux faces planes non parallèles, qui dévie et décompose la lumière.
- Spectre : bande colorée obtenue en décomposant une lumière.
- Lumière polychromatique : lumière composée de plusieurs couleurs (exemple : lumière blanche).
- Lumière monochromatique : lumière d'une seule couleur, non décomposable par un prisme (exemple : laser).
3Exercice 3
Réponds par vrai ou faux et corrige.
a) La lumière du Soleil est monochromatique.
b) La lumière d'un laser est décomposée par un prisme.
c) Le spectre de la lumière blanche est un spectre continu.
d) Dans l'arc-en-ciel principal, le violet est à l'extérieur.
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a) Faux : elle est polychromatique, elle contient toutes les couleurs du spectre.
b) Faux : elle est monochromatique ; elle est seulement déviée, pas décomposée.
c) Vrai : les couleurs se suivent sans interruption.
d) Faux : le violet est à l'intérieur, le rouge à l'extérieur.
4Exercice 4
Fanta isole la couleur jaune du spectre de la lumière blanche et l'envoie sur un deuxième prisme.
a) Qu'observe-t-elle sur l'écran ?
b) Que peut-elle en conclure sur la lumière jaune ?
c) Que prouve cette expérience sur le rôle du prisme ?
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a) Une tache jaune, déviée par rapport au trajet de départ, mais non étalée en plusieurs couleurs.
b) La lumière jaune isolée est monochromatique : elle ne peut pas être décomposée.
c) Le prisme ne fabrique pas de couleurs : il sépare seulement celles qui sont déjà présentes dans la lumière. S'il colorait la lumière, il ferait apparaître d'autres couleurs à partir du jaune.
5Exercice 5
(Type examen) On réalise l'expérience suivante : une lampe à incandescence éclaire une fente ; le pinceau obtenu traverse un prisme ; on observe le résultat sur un écran blanc.
a) Fais le schéma de l'expérience.
b) Décris ce que l'on observe sur l'écran.
c) Comment appelle-t-on ce phénomène ? Quelle conclusion en tire-t-on sur la nature de la lumière blanche ?
d) Cite un phénomène naturel qui produit le même résultat et donne ses conditions d'observation.
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a) Schéma : lampe, fente, pinceau incident arrivant sur une face du prisme, faisceau dévié vers la base du prisme et étalé, écran ; indiquer le rouge (moins dévié) et le violet (plus dévié).
b) On observe sur l'écran une bande colorée continue : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo, violet. C'est le spectre de la lumière blanche.
c) C'est la décomposition (ou dispersion) de la lumière blanche. La lumière blanche est polychromatique : c'est un mélange de toutes les couleurs du spectre.
d) L'arc-en-ciel. Il faut du Soleil et des gouttes d'eau dans l'air ; l'observateur doit avoir le Soleil dans le dos et les gouttes devant lui ; le Soleil ne doit pas être trop haut (matin ou fin d'après-midi).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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