Ce document propose des exercices pratiques sur la lumière, abordant des concepts fondamentaux tels que le spectre lumineux, les atomes et la conversion d'énergie lumineuse en courant électrique. Il inclut également des sections historiques sur l'évolution de la compréhension de la lumière, depuis les Grecs jusqu'aux découvertes modernes en optique quantique. De plus, il explique les notions de synthèse additive et soustractive des couleurs ainsi que le comportement des ondes électromagnétiques.

1. 1/11
LA LUMIÈRE
Cette fiche propose un certain nombre d’exercices et d’activités
pratiques sur la lumière. Il s’agit d’une première approche de la
lumière, que les élèves ne connaissent en général pas très bien
mais qui est essentielle à la vie sur notre planète. La lumière,
les atomes et le spectre lumineux, notions abordées dans cette
fiche, s’insèrent très bien dans les cours de sciences.
A noter que la fiche sur les cellules solaires propose d’aller
plus loin dans la compréhension de ce phénomène et explique
comment transformer l’énergie lumineuse en courant
électrique. Dans ce document, vous trouverez aussi une activité
interdisciplinaire que l’on peut aborder dans le cadre des
OCOM pour construire une photopile rudimentaire permettant
de transformer la lumière d’une lampe en courant électrique
(cette photopile est assez délicate à fabriquer et nécessite au
moins une semaine pour être active).
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Michel Carrara
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga

2. Notions abordées
Sciences :
• La lumière
• Le spectre de la lumière
• L’atome
Physique :
• Longueur d’onde et fréquence
Objectifs d’apprentissage du PER
MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-
rels et des technologies à l’aide de démarches
caractéristiques des sciences expérimentales :
• en acquérant les connaissances nécessaires
en physique et en chimie.
• en utilisant un modèle pour expliquer et/ou pré-
voir le fonctionnement d’un objet technique.
• en choisissant et en utilisant des instruments
d’observation et de mesure.
• en organisant des prises de mesures et en
formalisant les résultats d’une expérience.
Disciplines et options concernées
Sciences : 10e
et 11e
(selon l’activité choisie)
OCOM - Sciences * : 10e
et 11e
(selon l’activité
choisie)
Durée de l’activité
Partie théorique : 2 périodes
Exercice : 2 périodes
Les exercices sont d’un niveau accessible à tous.
* Discipline spécifique à la scolarité vaudoise
OCOM : Options de compétences orientées métiers

3. LA LUMIÈRE - GUIDE 3/11
PARENTHÈSE HISTORIQUE
Depuis toujours, l’homme s’est demandé ce qu’est la lumière.
Les premiers à s’intéresser à la lumière solaire de manière scientifique sont les gréco-romains, mais
leurs découvertes sont plus utilitaires que scientifiques. A cette époque, un conflit naît entre les ato-
mistes d’une part qui affirment que la lumière est constituée d’atomes qui s’échappent de la matière,
et les pythagoriciens d’autre part qui eux certifient que l’œil envoie des rayons qui sondent l’espace.
C’est seulement vers le Moyen-Âge que le savant arabe Alhazen réfute les idées antiques de rayons de
lumière, selon lesquelles la lumière est émise par l’objet. Pour lui, la lumière est constituée de matière.
Alhazen est à l’origine de l’optique géométrique.
C’est au XVIIème
siècle que les théories de la lumière entrent dans une ère nouvelle, avec les écrits de
Kepler. Celui-ci assimile l’œil à un dispositif optique conduisant à la formation d’une image réelle sur la
rétine. Il est convaincu que la réception des images est assurée par la rétine et non pas par le cristallin
comme on le pensait à cette époque, le cerveau remettant à l’endroit l’image inversée qu’il reçoit.
En 1690, Huygens publie son « Traité de la lumière », dans lequel il écrit que la lumière « s’étend succes-
sivement par des ondes sphériques » et que « chaque petit endroit d’un corps lumineux (Soleil, chan-
delle, charbon ardent, etc.) engendre ces ondes ». Mais comme Newton ne croyait pas en cette théorie
(il croyait que la lumière était faite de matière), les travaux de Huygens n’eurent pas un très grand
impact, la notoriété de Newton étant fort grande (il était un membre très influent de la Royal Society).
Il faut attendre 1801 pour que Thomas Young (1773-1829) confirme les travaux de Huygens : il fait
passer de la lumière à travers deux fentes parallèles et la projette sur un écran, la lumière est diffractée,
c’est bien une onde ! C’est le triomphe de la théorie ondulatoire, selon laquelle la lumière est une onde.
Le XXème
siècle est celui du retour à une conception corpusculaire de la lumière. En effet, le modèle
ondulatoire de la lumière se heurte à des difficultés insurmontables pour expliquer l’émission de la
lumière par des corps chauds ou l’effet photoélectrique. Pour expliquer ces phénomènes, Einstein, à
partir des travaux de Planck, introduit la notion de photon. Un photon est une particule de lumière qui
transporte un quantum d’énergie E = h ∙ ν (où ν est la fréquence de l’onde et h la constante de Planck).
Enfin, en 1924, Louis de Broglie met fin aux disputes en démontrant la compatibilité des deux mo-
dèles : l’ondulatoire et le corpusculaire. Ses travaux donneront naissance à la mécanique et à l’optique
quantique, où la lumière est à la fois onde et particule.
Cette fiche est l’occasion de présenter aux élèves la lumière, ce dont elle est constituée et sa
nature. Cette fiche permet aussi d’introduire quelques notions d’histoire des sciences.

4. 4/11 LA LUMIÈRE - GUIDE
QU’EST-CE QUE LA LUMIÈRE ?
On ne voit pas la lumière ! En effet, comme nous baignons dans la lumière du Soleil, si on la voyait, on
ne verrait qu’elle ! Ce que nous voyons, c’est la lumière réémise par les objets. Pour « voir » les limites
des rayons lumineux sortant d’une lampe par exemple, il faut quelque chose qui réémette cette lumière
dans le trajet des rayons. La poussière de craie ou de l’eau pulvérisée avec un brumisateur peuvent
rendre ces rayons visibles qui se propagent de manière rectiligne.
Mais comment cela se fait-il ? Prenons pour exemple l’atome qui reçoit de l’énergie (sous forme de
chaleur ou de lumière) et qui réémet un rayonnement pour se débarrasser de cette énergie supplémen-
taire. C’est ce qui se passe dans les tubes fluorescents (communément appelés néons).
couche externe
couche(s) interne(s)
noyau
électrons périphériques
(ou externes)
M
L
K
Un atome est constitué d’un noyau et d’électrons
situés dans des couches électroniques relative-
ment éloignées de celui-ci (notées K, L, M,etc.).
C’est le modèle de Bohr :
Un électron périphérique a tendance à rester sur
sa couche électronique (celle à l’énergie la plus
basse). C’est l’état fondamental (Fig. A).
Il ne peut atteindre un état de plus haute énergie
(ou état excité) que s’il reçoit l’énergie nécessaire
à ce bond (Fig. B). Et cela peut se faire grâce à la
lumière.
Mais ces états excités sont généralement brefs,
les électrons tendent spontanément à revenir à
l’état fondamental. Retour qui suppose l’émission
par l’électron d’une énergie, sous forme de rayon-
nement, égale à la différence entre le niveau de
départ et le niveau d’arrivée (Fig. C).
Tout objet est constitué d’atomes et donc ce phé-
nomène se produit chaque fois qu’un objet est
illuminé : il absorbe l’énergie de la lumière et ré-
émet un rayonnement. Ce sont ces rayons lumi-
neux réémis que nous percevons.
couche
externe
couche au-dessus
de la couche
externe
électron périphérique
l’électron périphérique
change de couche
grâce à l’énergie
fournie
énergie fournie
à l’électron
couche
externe
couche au-dessus
de la couche
externe
l’électron périphérique
retourne dans sa
couche initiale
énergie de l’électron
(reçue précédemment)
qui est perdue sous
forme de rayonnement
(lumière)
couche
externe
couche au-dessus
de la couche
externe
Schéma simplifié d’un atome selon le modèle de Bohr
Fig B : Etat excité d’un atome
Fig A : Etat fondamental d’un atome
Fig C : Retour à l’état fondamental de l’atome
et émission de lumière

5. LA LUMIÈRE - GUIDE 5/11
Une illustration de l’émission de lumière par un atome est la
coloration d’une flamme par un métal, de gauche à droite :
violet pâle (potassium), rouge fuchsia (lithium), rouge (stron-
tium), orangé (calcium), jaune (sodium).
Les vapeurs de certains métaux excités par la chaleur ou
l’électricité sont connues pour émettre des couleurs caracté-
ristiques.
Niels Henrik David Bohr (1885 - 1962) est un physicien danois. Il est
connu pour son apport à l’édification de la mécanique quantique. Il
proposa en 1914 le modèle atomique qui porte son nom.
Bricotest: Regarde la lumière émise
par l’élément sodium
Bricotest: Décompose la lumière
à l’aide d’un CD et d’une bulle de savon
Avec le sel de cuisine (le Chlorure de sodium :
NaCl, composé de ions Na+
et Cl–
), on colore la
flamme en jaune-orange. Le Na+
émet du rouge
et du vert, c’est-à-dire du jaune et le Cl–
émet es-
sentiellement dans le vert, le mélange de ces cou-
leurs donne la coloration jaune-orange observée.
A gauche : flamme du brûleur à gaz
A droite : coloration de la flamme lors de la pulvérisation
de NaCl

6. 6/11 LA LUMIÈRE - GUIDE
SYNTHÈSE DE LUMIÈRE
On peut considérer deux types de synthèse de lumière : l’additive et la soustractive. [1]
A) La synthèse additive
Le principe d’une synthèse additive est de re-
constituer pour un œil humain l’apparence des
couleurs par l’addition dans certaines propor-
tions des lumières provenant des trois sources
monochromatiques, dites couleurs primaires. Le
choix des couleurs primaires est conditionné par
le fonctionnement de l’œil humain. On utilise tou-
jours comme couleurs le rouge, le vert et le bleu.
L’addition de deux couleurs primaires donne une couleur secondaire, qui est la couleur complémen-
taire de la couleur primaire non utilisée. Par exemple, l’addition du rouge et du vert donne du jaune,
complémentaire du bleu. La superposition de deux couleurs complémentaires ou des trois couleurs
primaires donne de la lumière dite « blanche ».
Le système additif concerne tous les mélanges de couleurs provenant de sources lumineuses comme
les écrans LCD, les écrans cathodiques, les projecteurs (par exemple dans un écran LCD, chaque pixel
est en fait constitué dans la majorité des cas de 3 pixels monochromes rouge-vert-bleu).
Voir des illustrations sur :
http://www.edumedia-sciences.com/fr/a302-ecran-couleur
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/optique/synthese_additive.htm
B) La synthèse soustractive
Les corps opaques, quand ils sont éclairés, réflé-
chissent une partie de la lumière et absorbent le
reste. Un pigment qui donne l’apparence du jaune
absorbe le bleu. On utilise comme pigments pri-
maires les couleurs complémentaires du système
additif. On utilise toujours comme couleurs le
cyan, le magenta et le jaune.
Par exemple, l’addition du cyan et du magenta donne du bleu. De même, l’addition des 3 couleurs
complémentaires donnera du noir. Ce principe est d’ailleurs utilisé dans les impressions couleurs à jet
d’encre.
Voir une illustration sur :
http://www.edumedia-sciences.com/fr/a284-soustraction-des-couleurs
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/optique/synthese_soustractive.htm
lumière bleue
lumière magenta
lumière verte
lumière cyan
lumière
blanche
lumière jaune
lumière rouge
Jaune
Vert
Magenta
Rouge
Noir
Bleu
Cyan
[1]
Paragraphe inspiré de http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optigeo/addition.html (consulté le 23.01.2013).

7. LA LUMIÈRE - GUIDE 7/11
MAIS QU’EST-CE QU’UNE ONDE ?
Une onde est une perturbation périodique qui
se déplace. Dans le cas d’une onde électroma-
gnétique, la perturbation est liée à un champ
électrique et à un champ magnétique oscillant
conjointement à 90° l’un par rapport à l’autre. Les
ondes électromagnétiques se propagent sans
support matériel, ce sont des ondes sinusoïdales.
La perturbation est décrite par une sinusoïde.
De façon générale, pour toute onde sinusoïdale, on peut donner les définitions suivantes :
• La longueur d’onde, λ [m], est la distance, comptée dans la direction de propagation, entre 2 points
consécutifs dont les champs ont la même valeur (= distance des deux maxima de la perturbation).
• La vitesse de l’onde, v [m/s], est la vitesse à laquelle se déplace linéairement le maximum de la
perturbation.
• La période de l’onde, T [s], est la durée d’une oscillation complète de la perturbation.
• La fréquence de l’onde, ν [Hz] ou [s-1
], est le nombre d’oscillations de la perturbation par seconde.
C’est donc l’inverse de la période, T.
• L’amplitude de l’onde est la valeur maximale de la perturbation.
Toutes les ondes électromagnétiques ont la même vitesse dans le vide : c = 300’000 [km/s]
(ou c = 3 · 108
[m/s])
Fabrique un téléphone et communique avec ton camarade
Marche à suivre
Faire un trou avec une épingle au fond de chaque pot.
Passer un bout de la ficelle dans chaque trou.
A chaque bout, faire un nœud pour empêcher la ficelle de sortir du pot.
Avec un ami, prendre chacun un pot et s’éloigner l’un de l’autre. La ficelle doit être bien
tendue.
Parler dans son pot pendant que son ami colle son oreille au sien. Il entend ce qui est dit.
Le son passe d’un pot à l’autre à travers la ficelle tendue. On a fabriqué un téléphone !
Le son, c’est de l’air qui bouge très vite : on dit qu’il vibre. Quand on parle dans le pot, l’air
fait à son tour vibrer le pot à côté de lui. Puis le pot fait vibrer la ficelle, qui fait vibrer le
deuxième pot. Et ce pot-là fait vibrer l’air. Cela crée le même son près de l’oreille de l’autre
personne ! C’est une onde qui se propage le long du fil !
champ
électrique longueur d’onde
champ
magnétique
direction de
propagation

8. 8/11 LA LUMIÈRE - GUIDE
L’ÉNERGIE DE LA LUMIÈRE
Pour l’homme, des rayonnements trop énergétiques sont dangereux. Les ultraviolets peuvent brûler,
induire des cancers ou rendre aveugle, mais ce n’est pas le cas des ondes radio. Les rayons X et γ,
qui interfèrent avec la matière vivante, sont également dangereux et peuvent provoquer des cancers
et des brûlures.
Les ondes électromagnétiques présentent aussi un aspect corpusculaire : des particules élémentaires,
nommées photons, transportent de petits paquets d’énergie. On a pu montrer que l’énergie d’un pho-
ton est proportionnelle à la fréquence de l’onde qui lui est associée.
Par les définitions précédentes, nous pouvons déduire les formules pour :
On voit donc, grâce à ce qui précède, que seule une infime partie des ondes électromagnétiques est
perceptible à l’œil humain : celles dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 et 800 nm, la
lumière visible.
On calcule l’énergie E grâce à la relation
suivante établie par Planck :
E l’énergie en joules [J]
h la constante de Planck : h = 6,626 · 10 -34
[J·s]
ν la fréquence en hertz [Hz]
λ la longueur d’onde en mètres [m]
c la vitesse de la lumière dans le vide : c = 3 · 108
[m/s] = 300’000’000 [m/s]
E = h ∙ ν =
h ∙ c
λ
La fréquence :
La vitesse :
ν la fréquence en hertz [Hz]
v la vitesse de l’onde [m/s]
λ la longueur d’onde en mètres [m]
c la vitesse de la lumière dans le vide : c = 3 · 108
[m/s] = 300’000’000 [m/s]
ν = =
v c
λ λ
v = c = λ · ν

9. LA LUMIÈRE - GUIDE 9/11
Exercice 1
Comme il n’y a qu’une seule source de lumière, seuls les objets éclairés ou la source de lumière elle-
même doivent être visibles. Les images devraient être comme ci-dessous. Mais on perçoit tout de
même un peu le faisceau dans la réalité, car des particules en suspension dans l’air (poussière, etc.)
sont aussi éclairées et rendent les rayons lumineux visibles.
ET TOUT CELA EN CHIFFRES…
Exercice 2
Liste des mots : diffuser, étaler, transmettre, réfléchir, absorber, disperser, éclairer, émettre
Un objet noir absorbe la lumière.
La nuit, nous pouvons voir la Lune car elle diffuse la lumière du Soleil.
Le Soleil nous éclaire car il émet de la lumière.
Une fleur est invisible si elle n’est pas éclairée.

10. 10/11 LA LUMIÈRE - GUIDE
Exercice 4
On cherche un temps t en secondes.
Données : v = 300’000 km/s avec d = 9,4608 · 1014
km
Formule à utiliser : v = d / t, soit t = d / v
t = 9,4608 · 1014
/ 300’000 = 3’153’600’000 s ≈ 100 ans
On trouve ce résultat en divisant le résultat en secondes par 365, puis par 24, puis par 3600, car dans
un an il y a 365 jours, et dans 1 jour il y a 24 heures, et dans 1 heure il y a 3600 secondes.
Exercice 5
On cherche une distance d en kilomètres.
Données : v = 300’000 km/s avec t = 4h 12min = (4 · 3’600)+(12 · 60) = 15’120 s
Formule à utiliser : v = d / t, soit t = d / v
d = 300’000 · 15’120 = 4’536’000’000 = 4,536 · 109
km
Exercice 6
Superposition de lumières Couleur perçue
Rouge et bleu Magenta
Rouge et vert Jaune
Vert et bleu Cyan
Rouge, vert et bleu Blanc
Exercice 3
La lumière n’est pas transmise instantanément, car sa vitesse
n’est pas infinie, elle est constante (3 · 108
m/s). Si un objet se
situe très loin, la lumière qui est émise par celui-ci va mettre
beaucoup de temps à nous parvenir.
Par exemple, si un objet est situé à 9,46 · 1012
km (9,46 billions de km), il va mettre une année à nous
parvenir. C’est-à-dire qu’il est situé à une année-lumière.
En effet, la lumière se déplace à 3 · 108
m/s, donc elle parcourt :
d = v · t = 3 · 108
· (60 · 60 · 24 · 365) = 9,46 · 1015
m = 9,46 · 1012
km en une année
Dès lors, un objet dont la lumière met 3’500 ans à nous parvenir se situe à 3’500 années-lumière :
3’500 · 9,46 · 1012
= 3,31 · 1016
km
Lukáš Kalista (CC-BY-SA)

11. LA LUMIÈRE - GUIDE 11/11
Exercice 8
Que devrait-on dire au lieu de « cet objet est de couleur bleue » ?
Que l’objet réémet la couleur bleue.
Exercice 7
Un objet jaune émet du rouge et du vert. Ces lu-
mières mélangées sont perçues par l’œil comme
étant du jaune (synthèse additive).
a) Le citron jaune paraîtra vert.
Comme il reçoit du cyan (mélange du vert et du
bleu), il ne peut que réémettre le vert.
b) Le citron paraîtra noir.
Comme il reçoit du bleu, il ne peut donc pas
réémettre de lumière (car il ne reçoit pas de
rouge, ni de vert).
Exercice 9
Longueur d’onde [nm] 600 550 480 400
Couleur Orange Vert Bleu Violet
Energie [J] 3,31 · 10-19
3,61 · 10-19
4,14 · 10-19
4,97 · 10-19
E = = 3,31 ∙ 10-19
J=
h ∙ c 6,626 ∙ 10-34
∙ 3 ∙108
λ 600 ∙108
Ceci correspond à l’énergie d’un seul photon, mais le soleil nous envoie environ 1022
photons par m2
et par seconde.
Pour calculer l’énergie, il faut convertir la vitesse de la lumière en m/s : c = 3 · 108
m/s et la longueur
d’onde en mètres.
Exemple de calcul avec 600 nm :
lumière
blanche
le citron réémet les
lumières rouge et verte
et apparaît jaune
lumière cyan
(mélange de
vert et de bleu)
le citron réémet
uniquement
la lumière verte
lumière
bleue
le citron ne réémet
aucune lumière
et apparaît noir
Une illustration interactive : http://www.edumedia-sciences.com/fr/a285-theorie-des-couleurs