Lumière

Tout d’abord, avant de parler spécifiquement de la lumière, origine de la vision, nous allons nous intéresser aux différentes évolutions de la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision, l’Optique

L'optique

De l’antiquité à nos jours, l’optique a connut de nombreux développements au fil des siècles. Elle apparue dés l’antiquité et fut au commencement, géométrique. C’est une analyse de la propagation de la lumière basée sur des principes simples, comme la propagation rectiligne et le retour inverse qui a permit d’expliquer les phénomènes de réflexion et de réfraction. Les premiers travaux furent effectués par les égyptiens et babyloniens qui ont permit la mise au point pratique de lentilles. Par la suite, c’est en Grèce où les premiers principes de l'optique géométrique ont été découverts, grâce notamment aux savants Empédocle, Euclide, Ptolémée qui en énonce les premiers fondements.

 

Toutefois, se sont les héritiers des savoirs de l'Antiquité par la bibliothèque d'Alexandrie, c'est-à-dire, la société Arabo-musulmane qui va approfondir les travaux et théories de l'Antiquité en matière d'optique géométrique. Ibn al-Haytham, alias Alhazen, conceptualise le rayon lumineux comme un phénomène indépendamment de l'œil humain, le rayon visuel est reçu, et non émis, par l'œil, ce qui constitue le tournant du premier millénaire.

 

       Alhazen

L’optique s’est ensuite affinée et perfectionnée au fil des siècles jusqu'au XVIIIe siècle où la découverte de nouveaux phénomènes, tels que la déformation de la lumière ou le dédoublement de la lumière lors de la traversée de certains cristaux, à mener les scientifiques a considérer la lumière comme une onde, c’est l'optique ondulatoire. C'est avec Newton et Huygens que l'optique connaît des développements théoriques importants : Newton à l'aide d'un prismes montre que la lumière blanche peut importants : Newton à l'aide d'un prismes montre que la lumière blanche peut être décomposée en un spectre lumineux de plusieurs lumières de différentes couleurs tandis que Huygens découvre la nature ondulatoire du phénomène et initie ainsi l'optique ondulatoire. Cette nouvelle optique prend désormais en compte les phénomènes d'interférence, de diffraction et de polarisation.

Au XIXe siècle, James Maxwell démontre que la lumière est un faisceau d'ondes électromagnétiques se déplaçant dans le vide à la vitesse constante de 300.000 kilomètres par seconde. De plus, il prouve que le domaine visible du spectre lumineux n'est en fait qu'une petite partie du spectre électromagnétique de l'onde lumineuse.

James Clerk Maxwell

Au début du XXe siècle, les théories d'Einstein sur la nature corpusculaire de la lumière donneront naissance au photon et à l'optique quantique. Celui-ci est étonné de l’existence d’incertitudes ou d’approximations au sein de la physique de l’époque. Il défend que la lumière est composée de particules, quanta d'énergie ou « photons », ce que les physiciens admettrons. La lumière peut alors être considérée comme constituée de particules à part entière et que celle-ci présente à la fois les propriétés d'une onde et d'un corpuscule.

La théorie quantique de l'optique ou optique quantique a donc été créée pour concilier ces deux aspects apparemment incompatibles de la lumière, c’est à dire l'aspect ondulatoire (phénomènes d'interférence, de diffraction ...) et l'aspect corpusculaire (effet photoélectrique, émission spontanée ...). Pour résumer, on peut dire que l'optique quantique est une reformulation de l'optique ondulatoire dans laquelle le champ électromagnétique est quantifié.

Après vous avoir présenté l’ensemble des évolutions de l’optique, intéressons-nous plus précisément tout d’abord à la lumière, puis à la vision, et enfin à quelques phénomènes de l’optique géométrique pouvant être observé dans la vie courante.

         Einstein

La lumière

 

La lumière est constituée d’ondes électromagnétiques, qui lorsqu’elles sont comprises entre les longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge) sont visibles par l'œil humain.
De manière générale, une onde est caractérisée par sa longueur d'onde et sa fréquence. La longueur d’onde étant une grandeur physique utilisée pour caractériser des phénomènes périodiques, on peut alors la définir comme étant la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné. On la dénote communément par la lettre grecque λ (lambda).

 

Ainsi, une onde est donc un phénomène se propageant et qui se reproduit identique à lui-même soit plus tard dans le temps et soit plus loin dans l’espace. Pour ainsi dire, la longueur d’onde est l’équivalent spatial de la période temporelle et par ailleurs correspondent à la couleur de la lumière. En dehors de la lumière visible, on appelle parfois « lumière » des ondes électromagnétiques situées dans les domaines infrarouge et ultraviolet, bien que celles-ci ne se voient pas. La lumière visible, quant elle, correspond à une petite tranche du large spectre électromagnétique.

 

Par ailleurs, la lumière est intimement liée à la notion de couleur. C'est Isaac Newton qui propose pour la première fois au XVIIe siècle un cercle des couleurs chromatiques fondé sur la décomposition de la lumière blanche. D’autre part, les scientifiques vont appeler plus tard une lumière qui est constituée de la même longueur d'onde, la lumière monochromatique ou cohérente, à l’exemple de la lumière émise d’un laser.

 

              Newton

Pour mieux comprendre le phénomène de diffraction de la lumière, nous avons réalisés une expérience avec pour objectif d’obtenir l’ensemble du spectre lumineux. Pour cela, nous avons effectué la manipulation suivante dans le laboratoire du lycée Georges Pompidou à l’aide d’un protocole précis et de matériels complexes.

Nous avons fait traverser un faisceau de lumière blanche à travers une lentille, une fente, un diaphragme pour lui faire atteindre un prisme, délimité par deux faces de 60°. Nous avons alors obtenu un résultat plutôt concluant pour la dispersion de la lumière blanche qui apparait dans les photos suivantes.

 

 

 

Nous avons alors obtenu un spectre de couleur grâce la dispersion de la lumière à l’aide du prisme. La lumière blanche s’est décomposée en arc-en-ciel, chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspondant à une longueur d’onde précise. Cependant, cette physiologie de la perception des couleurs fait qu'une couleur vue ne correspond pas nécessairement à une radiation de longueur d’onde unique mais peut être une superposition de radiations monochromatiques, c’est-à-dire a le mélange de différente couleurs.

En outre, comme nous avons expliqué précédemment, la lumière, étant aussi un phénomène de déplacement, celle-ci peut se concevoir comme une onde ou comme un flux de particules, dans ce cas appelées photons. Ces photons sont issus de phénomènes quantiques au cœur des atomes : l'excitation des électrons suivie de leur désexcitation lorsqu’ils retournent à leur niveau d'énergie habituel émettent des photons, et donc produisent de la lumière.

Ces photons permettent la quantification de l'énergie transportée par le rayonnement lumineux, phénomène observé et expliqué par Albert Einstein dès 1913. Cependant, la physique moderne considère que chacun de ces photons peut être aussi considéré comme une onde, c’est ce qu'on appelle la dualité onde-particule ou onde-corpuscule en mécanique quantique.

Cette dualité onde-particule est un principe faisant partie des fondements de la mécanique quantique qui considère tous les objets de l'univers microscopique présentent simultanément des propriétés d'ondes et de particules. L'idée de cette dualité prend ses racines dans un débat remontant au XVIIe siècle siècle, lorsque s'affrontaient les théories concurrentes de Christiaan Huygens qui considérait que la lumière était composée d'ondes et celle de Isaac Newton qui considérait la lumière comme un flot de particules.


        Einstein

Plus tard, à la suite des travaux d'Albert Einstein, de Louis de Broglie et bien d'autres, les théories scientifiques modernes accorderont à tous les objets une nature d'onde et de particule, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu'à des échelles microscopiques. En outre, la lumière est essentielle pour la vision de l’homme car elle permet à celui-ci de voir son environnement. C’est grâce à la réflexion de la lumière, sur l’ensemble des éléments constituant son environnement que l’homme distingue les couleurs, les formes, le relief.

Ainsi, après avoir traité des évolutions de l’optique au fil du temps et des généralités de la lumière, nous allons vous expliquer le terme de la vision et les phénomènes de réflexion ou de réfraction.


          Broglie

La Vision

La vision est le sens dédié à la perception de la lumière, c'est-à-dire, la capacité de l’homme à pouvoir percevoir la lumière, la partie dite visible du rayonnement électromagnétique. Elle recouvre un ensemble de mécanismes physiologiques et psychologiques par lequel la lumière, émise ou réfléchie par l'environnement, est traduite en messages électriques. Ces mécanismes font intervenir l'œil, organe récepteur de la vue, mais aussi des processus cognitifs complexes situé et mis en œuvre dans certaines zones spécialisées du cerveau, notamment le cortex visuel. Grâce à ces mécanismes, l’homme est capable de déterminer des impressions sensorielles de natures variées, à l’exemple des formes, des couleurs, du mouvement, de la distance et du relief. Les principaux phénomènes de l’optique géométrique visible par l’homme sont la réflexion et la réfraction que nous allons maintenant tenter de vous expliquer, et dont le dernier sera illustré par nos expériences réalisés dans le laboratoire du lycée Georges Pompidou.

Le phénomène de la réflexion correspond au changement de direction d'une onde à l'interface de deux milieux, qui reste toujours dans son milieu de propagation initial. La réflexion, tout comme la diffraction, en optique géométrique obéit aux lois de Snell-Descartes qui décrivent le comportement de la lumière à l'interface de deux milieux. Le rayon lumineux est dit incident avant d'avoir rencontré la surface réfléchissante, et celui-ci est dit réfléchi après. Le point de rencontre du rayon incident et de la surface réfléchissante est appelé point d'incidence. Le plan contenant le rayon incident et la normale à la surface réfléchissante au point d'incidence est dit plan d'incidence. Par ailleurs, la réflexion de la lumière peut être spéculaire ou bien diffuse suivant la nature de l'interface. Cependant, les lois géométriques de la réflexion ne s'appliquent qu'à la réflexion spéculaire ; il faut faire appel à des modélisations plus complexes pour traiter la réflexion diffuse.

La loi de la réflexion s'énonce ainsi :

le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence

les angles incident et réfléchi sont égaux en valeurs absolues ; θ1 et θ2 vérifient :

A partir des expériences que nous avons réalisées, nous avons pu mettre en évidence le phénomène de la réfraction. Celui-ci exprime le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée de deux milieux différents qui ne reste pas dans le plan d’incidence.
La réfraction, en se basant sur la loi de Snell-Descartes, démontre la capacité de chaque milieu à pouvoir « ralentir » la lumière, modélisée par son indice de réfraction. En effet, l'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de réduction de la vitesse de la lumière dans le milieu.

La loi de la réfraction s'énonce ainsi :

Le rayon réfracté se situe dans le plan d'incidence (défini par le rayon incident et la normale au dioptre au mouvement d'incidence), rayon incident et rayon réfracté étant de part et d'autre de la normale ;

Les angles d'incidence et de réfraction (θ1) et (θ2), mesurés par rapport à la normale sont tels que : n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2)

Ainsi, le mardi 26 janvier, nous avons réalisé quelques expériences démontrant ce phénomène dans le laboratoire de notre lycée. Toutes nos expériences réalisées, suivants des protocoles différents, nous ont données des résultats pas toujours satisfaisants mais dont certains permettent de prouver le phénomène de réfraction.

Notre première expérience consista à remplir au fur et à mesure d’eau une boite en plastique avec une figurine collée sur une face extérieur de la boite. Cette expérience, en dépit d’un protocole élémentaire, nous offrit un résultat spectaculaire qui nous convainc de la réfraction de l’eau.

De face, on ne remarque presque aucune conséquence directe après avoir rempli la boîte.

Cependant vu de haut, on constate alors le phénomène de réfraction.

Ensuite, nous avons réalisé une expérimentation similaire, vérifiant la réfraction de l’eau. Nous avons rempli une tasse d’eau, qui lorsqu’on la regarde vide ne contient rien, et quand elle est remplie apparait une pièce.

En réalité, sans eau, la pièce est cachée par la paroi du bol. C’est fur et à mesure que le bol se rempli que celle-ci apparait.

 

 

 


 

Enfin, nous avons effectuée une dernière expérience qui met en évidence trois différents indices de réfraction de différents liquides dans des béchers distincts. Pour pouvoir observer les phénomènes de réfraction, nous avons placé trois agitateurs en verre dans les trois béchers, ce qui permit de comparer l’aptitude des liquides à réfracter. Le premier étant vide, le second de l'eau et le dernier étant de la glycérine.

 

 

Ainsi, la lumière, qui a été un sujet d’étude et de recherche important au cours des siècles pour comprendre les différents phénomènes de l’optique, est donc essentielle et nécessaire pour la vision de l’Homme en relief. Cependant, nous supposons que la perception de la lumière est rendu possible grâce à un ensemble de mécanismes qui font intervenir les Yeux et le Cerveau.

 

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