Pendant un orage, l’éclair apparaît d’abord, le tonnerre n’arrive que plus tard. La propagation de la lumière serait-elle instantanée ? Presque : la lumière est la chose la plus rapide de l’Univers, mais elle met tout de même du temps pour traverser l’espace. Dans ce chapitre, tu découvres comment elle se déplace, à quelle vitesse, et comment on s’en sert pour mesurer des distances immenses.
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Propagation de la lumière en ligne droite
Dans une pièce un peu enfumée ou poussiéreuse, le faisceau d’une lampe de poche devient visible : c’est une traînée droite. Si l’on place trois cartons percés d’un trou à la même hauteur, la lumière ne traverse que si les trois trous sont alignés ; on peut le vérifier avec une ficelle bien tendue. La lumière se propage donc en ligne droite dans l’air.
Dans un milieu transparent et homogène (même matière partout, comme l’air ou l’eau limpide), la lumière se propage en ligne droite. On modélise son trajet par un rayon lumineux, représenté par une droite fléchée dans le sens de propagation.
Le rayon lumineux n’est pas un objet réel : c’est un modèle, un trait que l’on dessine pour représenter le trajet de la lumière. Un faisceau est formé de nombreux rayons.
Milieux transparents, translucides et opaques
Tous les matériaux ne laissent pas passer la lumière de la même façon.
| Type de milieu | Ce qu’il fait | Exemples |
|---|---|---|
| Transparent | laisse passer la lumière, on voit nettement à travers | air, eau limpide, verre |
| Translucide | laisse passer la lumière, mais on ne voit pas nettement à travers | papier calque, verre dépoli |
| Opaque | ne laisse pas passer la lumière | bois, carton, métal |
La lumière n’a pas besoin de matière pour se propager : elle traverse le vide. C’est ainsi que la lumière du Soleil nous parvient à travers l’espace.
Les faisceaux lumineux
Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons. Selon la source et les objets traversés, il peut être divergent (il s’écarte, comme celui d’une lampe qui éclaire une pièce), parallèle (les rayons restent parallèles, comme la lumière du Soleil arrivant sur Terre) ou convergent (il se resserre vers un point, comme avec une loupe).
La vitesse de la lumière
La lumière se propage extrêmement vite. Dans le vide (et presque autant dans l’air), sa vitesse est :
c ≈ 300 000 km/s = 3,00 × 108 m/s
En une seule seconde, la lumière parcourt 300 000 km, soit environ 7,5 fois le tour de la Terre (circonférence : 40 000 km). Pour une durée, une distance et une vitesse, on utilise la relation :
v = d ÷ t ; donc t = d ÷ v
avec d en kilomètres (km), v en km/s et t en secondes (s).
Le Soleil est à environ 150 000 000 km de la Terre. Combien de temps la lumière met-elle pour nous parvenir ? t = d ÷ v = 150 000 000 ÷ 300 000 = 500 s, soit 8 min 20 s. Quand on regarde le Soleil, on le voit tel qu’il était il y a plus de 8 minutes.
La Lune est à 384 000 km. t = 384 000 ÷ 300 000 = 1,28 s, soit environ 1,3 s pour la lumière.
L’année-lumière
Les étoiles sont si loin que les kilomètres deviennent peu pratiques. On utilise l’année-lumière (al) : c’est la distance parcourue par la lumière en un an dans le vide. En 365 jours, soit 31 536 000 s, elle parcourt 300 000 × 31 536 000 ≈ 9,46 × 1012 km, soit près de 9 500 milliards de kilomètres.
Proxima du Centaure est à 4,2 années-lumière. Sa distance en km : 4,2 × 9,46 × 1012 ≈ 4,0 × 1013 km. La lumière que l’on reçoit d’elle est partie il y a 4,2 ans.
Lumière et son : l’orage
Le son se propage bien plus lentement : environ 340 m/s dans l’air, et il a besoin de matière. Pendant un orage, l’éclair est vu presque instantanément, le tonnerre arrive après. Si l’on compte 3 s entre les deux, l’éclair est à environ 340 × 3 ≈ 1 000 m, soit 1 km (on compte à peu près 3 s par kilomètre).
La lumière va en ligne droite, très vite (300 000 km/s), même dans le vide. Le son est environ un million de fois plus lent et ne se propage pas dans le vide.
L’essentiel à retenir
- Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite ; on la représente par des rayons.
- Un milieu peut être transparent, translucide ou opaque.
- La lumière se propage dans le vide, à environ 300 000 km/s.
- La durée du trajet se calcule avec t = d ÷ v.
- L’année-lumière est une distance : environ 9,46 × 1012 km.
- Le son (340 m/s) est bien plus lent que la lumière, d’où le décalage éclair-tonnerre.