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La lumière est le fondement de l'optique ; son étude, son utilisation et sa mesure ont amené les scientifiques au cours des siècles et construire le corpus des connaissances reliées à l'optique. En Grèce antique, c'est l'observation de mirages, d'arcs-en-ciel et du cortège des phénomènes atmosphériques reliés à la lumière qui a amené les premiers philosophes à s'intéresser au comportement de la lumière dans l'atmosphère.
La lumière est le fondement de l'optique ; son étude, son utilisation et sa mesure ont amené les scientifiques au cours des siècles et construire le corpus des connaissances reliées à l'optique. En Grèce antique, c'est l'observation de mirages, d'arcs-en-ciel et du cortège des phénomènes atmosphériques reliés à la lumière qui a amené les premiers philosophes à s'intéresser au comportement de la lumière dans l'atmosphère.


La définition, l'approche et la mesure de la lumière ont beaucoup varié au cours du temps. Un temps définie comme un flux de particules, puis comme une onde, puis à nouveau comme des particules, l'émergence de la mécanique quantique a permit d'allier ces deux définitions. La lumière est à la fois une onde, et un flux de particules.
La définition, l'approche et la mesure de la lumière ont beaucoup varié au cours du temps. Un temps définie comme un flux de particules, puis comme une onde, puis à nouveau comme des particules, l'émergence de la mécanique quantique a permis d'allier ces deux définitions. La lumière est à la fois une onde, et un flux de particules.


Dans le domaine de l'optique géométrique, la lumière est traitée comme un faisceau de rayons lumineux. Cette approche n'est valable que dans le cadre de certaines approximations et de multiples théories ont été développées dans ce domaine. Les rayons lumineux sont alors chacun caractérisés par une longueur d'onde donnée.
Dans le domaine de l'optique géométrique, la lumière est traitée comme un faisceau de rayons lumineux. Cette approche n'est valable que dans le cadre de certaines approximations et de multiples théories ont été développées dans ce domaine. Les rayons lumineux sont alors chacun caractérisés par une longueur d'onde donnée.
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Dans le domaine de l'optique ondulatoire, la lumière est une onde électromagnétique, générée par la coïncidence d'un champ électrique et magnétique, couplés par les fameuses équations de Maxwell.
Dans le domaine de l'optique ondulatoire, la lumière est une onde électromagnétique, générée par la coïncidence d'un champ électrique et magnétique, couplés par les fameuses équations de Maxwell.


La théorie corpusculaire de la lumière la décrit comme un faisceau de photons. Un photon est une particule de lumière et cette approche a permit de décrire de multiples phénomènes, dont par exemple, l'effet laser.
La théorie corpusculaire de la lumière la décrit comme un faisceau de photons. Un photon est une particule de lumière et cette approche a permis de décrire de multiples phénomènes, dont par exemple, l'effet laser.


Ces trois domaines sont interdépendants, et la lumière est surtout caractérisée par sa dualité onde-corpuscule. A la fois photon et onde, elle interagit avec les milieux qu'elle traverse et est produite par des sources extrêmement diverses et des phénomènes tout aussi divers.
Ces trois domaines sont interdépendants, et la lumière est surtout caractérisée par sa dualité onde-corpuscule. A la fois photon et onde, elle interagit avec les milieux qu'elle traverse et est produite par des sources extrêmement diverses et des phénomènes tout aussi divers.

Version du 7 janvier 2019 à 22:43

La lumière
Ce chapitre traite de la lumière, des avancées dans son étude et de sa nature.
Prérequis
Physique
Mathématiques

La lumière est le fondement de l'optique ; son étude, son utilisation et sa mesure ont amené les scientifiques au cours des siècles et construire le corpus des connaissances reliées à l'optique. En Grèce antique, c'est l'observation de mirages, d'arcs-en-ciel et du cortège des phénomènes atmosphériques reliés à la lumière qui a amené les premiers philosophes à s'intéresser au comportement de la lumière dans l'atmosphère.

La définition, l'approche et la mesure de la lumière ont beaucoup varié au cours du temps. Un temps définie comme un flux de particules, puis comme une onde, puis à nouveau comme des particules, l'émergence de la mécanique quantique a permis d'allier ces deux définitions. La lumière est à la fois une onde, et un flux de particules.

Dans le domaine de l'optique géométrique, la lumière est traitée comme un faisceau de rayons lumineux. Cette approche n'est valable que dans le cadre de certaines approximations et de multiples théories ont été développées dans ce domaine. Les rayons lumineux sont alors chacun caractérisés par une longueur d'onde donnée.

Dans le domaine de l'optique ondulatoire, la lumière est une onde électromagnétique, générée par la coïncidence d'un champ électrique et magnétique, couplés par les fameuses équations de Maxwell.

La théorie corpusculaire de la lumière la décrit comme un faisceau de photons. Un photon est une particule de lumière et cette approche a permis de décrire de multiples phénomènes, dont par exemple, l'effet laser.

Ces trois domaines sont interdépendants, et la lumière est surtout caractérisée par sa dualité onde-corpuscule. A la fois photon et onde, elle interagit avec les milieux qu'elle traverse et est produite par des sources extrêmement diverses et des phénomènes tout aussi divers.

La nature de la lumière

Rapide historique

Les premiers travaux d'optique pratique visent la mise au point de lentilles et remontent aux anciens Égyptiens et Babyloniens.

C'est au Moyen Âge, dans les sociétés arabo-musulmanes, qu'on commence à penser le rayon lumineux comme indépendant de l'œil humain. Un grand savant arabe dans ce domaine est Ibn al-Haytham, plus connu sous le nom 'Alhazen. On a pu le qualifier de « père de l'optique ».

  • Euclide, est l'auteur d'une théorie d'optique géométrique, les Catoptrica (Théorie des miroirs), qui voit apparaître la notion de rayon lumineux.
  • À la même époque, Archimède a très travaillé dans ce domaine, même si la réalité historique de ses célèbres miroirs ardents embrasant les vaisseaux ennemis est plus douteuse.
  • Héron d'Alexandrie, écrit également des Catoptrica.
  • Au siècle suivant, Ptolémée rédige une Optique. Il y traite des propriétés de la lumière, notamment de la réflexion, de la réfraction, et singulièrement de la réfraction atmosphérique, ainsi que de la couleur. Ses travaux sur la réflexion portent tant sur les miroirs plans que sur les miroirs sphériques. En ce qui concerne la réfraction, s'il ne parvient pas à en définir la loi fondamentale, il montre que l'angle de réfraction croît à mesure que croît l'angle d'incidence et il établit des tables pour l'air et l'eau

Avec Christian Huygens et surtout Isaac Newton que l'optique connaît des développements théoriques notables : Newton à l'aide de prismes et de lentilles montre que la lumière blanche peut être non seulement diffractée jusqu'à être décomposée en plusieurs lumières de différentes couleurs, mais même recomposée (cercle chromatique de Newton - voir aussi spectre lumineux).

  • 1800 Découverte de l'infrarouge - (William Herschel)
  • 1801 Découverte de l'ultraviolet - (Johann Wilhelm Ritter)
  • 1801 Théorie de la diffraction - fentes de Young; interférence (Joseph von Fraunhofer, George Biddell Airy, John William Strutt Rayleigh)
  • 1801, description de l'astigmatisme (Thomas Young)
  • 1802: Calcul de la longueur d'onde de la lumière (Thomas Young): 582 nm pour le jaune
  • En 1848, découverte du lien entre activité optique et chiralité Louis Pasteur (critère de Pasteur).
  • Mesures de la vitesse de la lumière, expérience de Fizeau (1849), (Léon Foucault, Hippolyte Fizeau)
  • En 2013 on découvre que certaines longueurs d'onde (au sein de la lumière que nous percevons comme bleue) endommagent certaines cellules pigmentaires du fond de l'œil humain. (cf longueur d'onde)

La lumière comme faisceau de rayons

La lumière comme onde électromagnétique

La lumière comme photon

La dualité onde-corpuscule

La dualité onde corpuscule de la lumière se retrouve dans les formules mêmes qui permettent de définir photon ou onde :

Sources

On distingue plusieurs types de sources, les sources primaires, et secondaires. En première approximation on qualifie de source primaire les sources qui génèrent la lumière et de source secondaire les sources qui ne font que la renvoyer.

Conclusion