Le document présente l'avion Solar Impulse, alimenté uniquement par l'énergie solaire, et offre une introduction à la nature de la lumière, ses propriétés, et son rôle essentiel dans la vie sur Terre. Il explore les concepts de décomposition et d'addition des couleurs, ainsi que la théorie des ondes électromagnétiques pour expliquer comment la lumière fonctionne et se propage. Enfin, il discute de la conversion de l'énergie lumineuse en électricité à l'aide des panneaux solaires photovoltaïques.

1. 1/8
LA LUMIÈRE
Solar Impulse est un avion qui n’utilise pas de carburant fossile,
mais uniquement de l’énergie venant de la lumière du Soleil,
c’est une énergie inépuisable et disponible en tout temps.
Cette fiche te permettra de découvrir ce qu’est la lumière et de
faire quelques manipulations pour mieux comprendre certaines
de ses propriétés.
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Michel Carrara
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga

2. 2/8 LA LUMIÈRE
QU’EST-CE QUE LA LUMIÈRE?
«C’est d’abord ce que je vois. Quand je vous vois, c’est parce qu’il y a de la lumière.
Je ne vois pas la lumière, mais c’est grâce à la lumière que vous émettez que je vous vois.»
Hubert Reeves
La lumière est donc ce qui rend les objets visibles à notre œil, mais c’est bien plus que cela: il s’agit
de la partie visible de ce qu’émet notre Soleil. On distingue généralement dans cette lumière sept cou-
leurs, celles de l’arc-en-ciel: le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet.
Décomposition de la lumière
par les gouttes d’eau formant un arc-en-ciel
Bricotest: Décompose la lumière à l’aide d’un CD et d’une bulle de savon
Par une journée ensoleillée, il est possible de voir les couleurs de l’arc-en-ciel grâce à un CD ou à une
bulle de savon. Il suffit d’orienter correctement la surface brillante du CD ou la bulle de savon pour voir
la décomposition de la lumière (couleurs de l’arc-en-ciel).
Bricotest: Regarde la lumière émise par l’élément sodium
Remplis le pulvérisateur d’eau fortement salée et pulvérise cette solution dans la direction de la flamme
du brûleur. Observe la couleur émise.
Matériel : du sel de cuisine, de l’eau, un pulvérisateur et un brûleur à gaz
Pour visualiser ces couleurs, il suffit
d’observer la surface d’une bulle de
savon ou d’un CD. La lumière y est
décomposée.
rayon du soleil
observateur
Dans un arc-en-ciel, ce sont les
gouttes d’eau en suspension dans
l’atmosphère qui décomposent la
lumière du Soleil.
Steve Jurvetson (CC-BY)

3. LA LUMIÈRE 3/8
SYNTHÈSE DE LUMIÈRE
Si on superpose les lumières des différentes cou-
leurs de l’arc-en-ciel, on obtient de la lumière
blanche. On peut aussi retrouver de la lumière
blanche en superposant les lumières des cou-
leurs primaires (rouge, bleu et vert).
Fabrique un téléphone et communique avec ton camarade
Matériel
• 2 pots de yaourt
• 3 à 5 mètres de ficelle de cuisine
• 1 grosse épingle
• 1 paire de ciseaux
• 1 copain!
Bricotest: Regarde l’addition des couleurs
Superpose les différentes lumières afin d’observer les couleurs obtenues.
Matériel : 3 lampes avec des ampoules de couleur rouge, verte et bleue ou 3 lampes avec des dia-
positives rouge, verte et bleue placées devant.
Que se passe-t-il lorsque nous voyons un vase en
nous disant qu’il est bleu, une fleur en nous disant
qu’elle est jaune?
Le Soleil
L’énergie solaire transmise par rayonnement rend possible la vie sur Terre
par un apport d’énergie thermique et de lumière, permettant la présence
d’eau à l’état liquide et la photosynthèse des végétaux.
Le rayonnement solaire est aussi responsable des climats et de la plupart
des phénomènes météorologiques observés sur notre planète.
La matière de chaque objet reçoit la lumière à sa façon. Ainsi le vase que l’on voit bleu absorbe la lu-
mière et ne réémet que le bleu. C’est celle-ci que notre œil perçoit. De même pour la fleur jaune, elle
absorbe la lumière dans son ensemble et ne réémet que le rouge et le vert dont le mélange donne le
jaune, ce qui nous fait dire que la fleur est jaune.
Addition des couleurs primaires
lumière bleue
lumière magenta
lumière verte
lumière cyan
lumière
blanche
lumière jaune
lumière rouge

4. 4/8 LA LUMIÈRE
MAIS QU’EST-CE QU’UNE ONDE ? [1]
La couleur est en réalité la perception subjective qu’a une personne d’une ou de plusieurs longueurs
d’ondes lumineuses. En effet, la lumière est une onde électromagnétique.
Sans doute as-tu déjà jeté un caillou dans l’eau
calme. À ce moment-là, la surface plane de l’eau
est perturbée, faisant apparaître des vagues. Ces
vagues ne restent pas sur place, elles se dé-
placent.
Elles s’écartent toutes en cercles concentriques
de l’endroit où le caillou est entré dans l’eau. C’est
un exemple d’onde qui permet de donner une
première définition : une onde est une perturba-
tion qui se déplace. Dans notre exemple, il s’agit
d’une perturbation de la surface de l’eau. Mais des
ondes se forment dans d’autres situations.
Ainsi, les mouvements qui agitent une corde tendue sont également des ondes : en donnant à une
extrémité de la corde un mouvement brusque, la déformation de la corde (la perturbation) se déplace
jusqu’à l’autre bout. On a, là encore, une perturbation qui se déplace, ce qu’on appelle une onde. Mais
cet exemple nous permet aussi de mettre en évidence le fait que la matière elle-même, dans laquelle
l’onde se propage, ne bouge pas. La perturbation créée s’est déplacée, mais la corde n’a pas bougé.
De même, imaginons un bouchon flottant sur une eau calme et sans vent : si une petite vague passe,
elle soulève le bouchon, puis le repose, mais en aucun cas le bouchon n’a été emporté par la vague !
Il est resté sur place.
Une onde n’est pas accompagnée de déplacement de matière. La vague contient de l’énergie. Mais
elle n’est pas accompagnée d’un déplacement d’eau. C’est finalement juste de l’énergie qui circule.
En effet, il faut de l’énergie pour soulever le bouchon, et de même, il faut de l’énergie pour créer une
impulsion sur la corde.
Les ondes jouent en fait un grand rôle pour nos sens, car l’énergie qu’elles transportent, c’est aussi de
l’information que notre corps perçoit : nos yeux et nos oreilles sont là pour capter ce que la lumière ou
le son, qui sont des ondes, nous transmettent, sans qu’il y ait besoin que de la matière soit déplacée.
Donc, la lumière est une onde… électromagnétique. [2]
Nous baignons en permanence dans un champ électromagnétique (comme le champ magnétique
terrestre, par exemple, qui oriente une boussole, voir fiche « LES AIMANTS »). Si on crée une petite per-
turbation de ce champ, elle se propage. Perturber le champ électromagnétique, c’est comme créer des
vagues à la surface de l’eau en y jetant un caillou. On crée de petites perturbations qui se propagent,
c’est-à-dire des ondes.
[1]
Paragraphe inspiré de http://www.e-scio.net/ondes/ondes.php3 (consulté le 29.11.2012).
[2]
Paragraphe inspiré de http://www.e-scio.net/ondes/lumiere.php3 (consulté le 29.11.2012).
Roger McLassusn (CC-BY-SA)

5. LA LUMIÈRE 5/8
400200
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
600 800 12001000 1400
Longueur d’onde (en nm)
Intensité (kW/m2
)
U.V. Visible Infrarouges
1600 20001800 2200 2400 2600
Spectre d’émission du
soleil mesuré au niveau
de la mer.
Si on étudie les ondes électromagnétiques émises par le Soleil, la partie visible de ce qui nous parvient
est la partie qui a la plus grande intensité.
1pm
400nm 500nm 600nm 700nm 800nm
1nm
Rayons X U.V. Infrarouges
Spectre visible
Micro-ondes Ondes radioRayons γ
1μm 1mm 1m 1km
λ
Le spectre des ondes élec-
tromagnétiques est bien
plus étendu que celui de la
lumière visible, il englobe
tous les rayonnements dont
chacun a entendu parler. [3]
[3]
Le visible correspond à la lumière perçue par l’homme, les rayons γ sont des rayonnements radioactifs, les rayons X sont utilisés pour les radiographies, les
U.V. (ultra-violets) sont des rayonnements de hautes énergies bien connus, les infrarouges correspondent à des rayonnements de chaleur, les micro-ondes et
les ondes radios sont des rayonnements aussi bien connus de tous.
L’échelle utilisée pour décrire le spectre des ondes électromagnétiques est celle de la longueur d’onde (définie dans la suite de cette fiche. Les pm sont les
picomètres (10-12
m), les nm sont les nanomètres (10-9
m), les μm sont les micromètres (10-6
m), les mm sont les millimètres (10-3
m), les m sont les mètres
et les km sont les kilomètres (103
m).
Et bien, la lumière est justement une onde électromagnétique. La lumière est une perturbation du
champ électromagnétique qui se déplace. Cela lui donne la propriété de pouvoir se déplacer dans le
vide, parce que même dans le vide, il y a un champ électromagnétique. Ce n’est pas le cas des autres
ondes, qui ont besoin d’un support matériel: par exemple, le son se déplace dans l’air et les vagues
à la surface de l’eau. Les perturbations du champ électromagnétique, dont la lumière, se déplacent à
une vitesse vertigineuse: 300’000 kilomètres par seconde dans le vide ou dans l’air! En une seconde,
la lumière a le temps de faire plus de 7 fois le tour de la Terre. Elle met un peu plus de 8 minutes pour
faire le trajet Soleil-Terre.

6. 6/8 LA LUMIÈRE
Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) est un physicien allemand,
lauréat du Prix Nobel de physique en 1918, de la Médaille Lorentz en
1927, et du prix Goethe en 1945.
L’énergie transportée par la lumière est responsable de l’échauffement que l’on ressent lorsqu’on s’ex-
pose au soleil. On appelle photon la particule de lumière qui transporte cette énergie.
Il est possible d’utiliser cette énergie pour la transformer en une autre forme d’énergie: l’électricité.
C’est le principe des panneaux solaires photovoltaïques. C’est justement de ce type d’équipement
qu’est muni Solar Impulse. Il vole grâce à la lumière! Pour en savoir plus sur cette transformation de
l’énergie lumineuse en électricité, consulte la fiche «LES CELLULES SOLAIRES».
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 [km/s]
E = h∙ν =
h∙c
λ
L’ÉNERGIE DE LA LUMIÈRE
Chaque couleur a une longueur d’onde (λ) diffé-
rente (cette longueur correspond, pour l’exemple
du caillou jeté dans l’eau, à la distance entre deux
sommets de vagues), donc une énergie différente.
Bien que le spectre soit continu et qu’il n’y ait pas
de frontière claire entre une couleur et la suivante,
la tabelle ci-contre donne les limites approchées
des couleurs qui constituent la lumière blanche.[4]
Longueur d’onde λ:
Rouge 800 à 620 nm
Orange 620 à 590 nm
Jaune 590 à 575 nm
Vert 575 à 492 nm
Bleu 492 à 465 nm
Indigo 465 à 435 nm
Violet 435 à 400 nm
[4]
Source: http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumière_visible (consulté le 30.11.2012).

7. LA LUMIÈRE 7/8
Exercice 1
Cette illustration
contient une erreur
scientifique. Laquelle ?
ET TOUT CELA EN CHIFFRES…
Exercice 3
Cette photo prise en 2004 représente la nébuleuse Dumbell,
connue pour être la nébuleuse planétaire la plus facile à ob-
server avec un instrument d’optique. Sa forme en papillon est
le résultat de l’explosion d’une étoile qui se déroule sous nos
yeux alors qu’elle s’est produite il y a 3500 ans.
Explique comment il est possible d’observer aujourd’hui une
explosion qui a eu lieu il y a 3500 ans.
Exercice 2
Complète chaque phrase en utilisant le verbe de la liste ci-dessous qui paraît le plus approprié :
diffuser, étaler, transmettre, réfléchir, absorber, disperser, éclairer, émettre
Un objet noir _____________________ la lumière.
La nuit, nous pouvons voir la Lune car elle _________________ la lumière du Soleil.
Le Soleil nous éclaire car il _________________ de la lumière.
Une fleur est invisible si elle n’est pas _________________.
Lukáš Kalista (CC-BY-SA)

8. 8/8 LA LUMIÈRE
Exercice 5
La vitesse de la lumière dans le vide est très grande : 300’000 km/s. Elle met 4 heures et 12 minutes
pour aller du Soleil à Neptune, planète la plus éloignée du Système Solaire. Calcule la distance So-
leil-Neptune en km.
Exercice 6
En superposant des lumières composées de couleurs primaires, quelles couleurs peut-on obtenir ?
Superposition de lumières Couleur perçue
Rouge et bleu
Rouge et vert
Vert et bleu
Rouge, vert et bleu
Exercice 7
Absorption de la lumière par un objet
a) De quelle couleur verra-t-on un citron si on l’éclaire avec de la lumière cyan ?
b) De quelle couleur verra-t-on un citron si on l’éclaire avec de la lumière bleue ?
Exercice 8
Que devrait-on dire au lieu de « cet objet est de couleur bleue » ?
Exercice 9
En considérant les longueurs d’ondes suivantes, détermine la couleur correspondante et calcule l’éner-
gie associée à un photon de cette couleur :
Longueur d’onde [nm] 600 550 480 400
Couleur
Energie [J]
Exercice 4
Alkaïd, une des étoiles de la Grande Ourse, est située à 9,4608 · 1014
km de la Terre. Calcule le temps
que met la lumière pour nous parvenir. Exprime le résultat en secondes puis en années.