Ondes lumineuses
La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide à la vitesse c = 3 × 10⁸ m/s. Le spectre visible (400-700 nm) n'est qu'une infime partie du spectre EM. Ce chapitre prouve la nature ondulatoire de la lumière par la diffraction et les interférences, tout en introduisant la dualité onde-corpuscule (les photons).
Objectifs du chapitre
- Connaître la nature et les caractéristiques de la lumière
- Observer et interpréter la diffraction de la lumière
- Expliquer les interférences lumineuses (fentes de Young)
- Comprendre la dualité onde-corpuscule
I. Nature de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique : pas besoin de milieu matériel.
Vitesse dans le vide : c = 3,00 × 10⁸ m/s (constante universelle).
Spectre visible : violet (400 nm) → rouge (700 nm).
Au-delà du visible : UV, rayons X, γ (hautes fréquences) et IR, micro-ondes, radio (basses fréquences).
Relation : c = λf → λ visible ≈ 400-700 nm, f ≈ 4-7,5 × 10¹⁴ Hz.
II. Diffraction de la lumière
La lumière se diffracte en passant par une fente étroite (a ≈ λ ≈ quelques μm).
On observe une tache centrale large flanquée de taches secondaires.
Angle de diffraction : θ ≈ λ/a (en radians).
Plus la fente est étroite, plus la diffraction est marquée.
Cette expérience prouve la nature ondulatoire de la lumière (impossible avec des particules classiques).
III. Interférences lumineuses
Expérience des fentes de Young (1801) : deux fentes étroites proches éclairées par une source monochromatique.
On observe des franges alternativement brillantes et sombres.
Interfrange : i = λD/a (D = distance écran, a = distance entre fentes).
Franges brillantes : différence de marche δ = kλ.
Franges sombres : δ = (k + ½)λ.
Spectre d'émission : raies brillantes caractéristiques d'un élément (discontinu).
Spectre d'absorption : raies sombres dans un spectre continu.
IV. Dualité onde-corpuscule
La lumière a un double comportement : onde ET corpuscule (photon).
Énergie d'un photon : E = hf = hc/λ.
h = constante de Planck = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s.
L'effet photoélectrique (Einstein, 1905) ne s'explique qu'avec les photons.
De Broglie (1924) étend la dualité à la matière : λ = h/(mv).
Cette dualité est au fondement de la physique quantique.
Formules clés
Vitesse de la lumière
c = λf = 3 × 10⁸ m/s
Constante universelle dans le vide
Diffraction
θ ≈ λ/a
Angle du premier minimum de diffraction
Interfrange (Young)
i = λD/a
Distance entre deux franges brillantes consécutives
Énergie d'un photon
E = hf = hc/λ
h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s
De Broglie
λ = h/(mv)
Longueur d'onde associée à une particule
À retenir
- ★c = λf = 3 × 10⁸ m/s
- ★Visible : 400 nm (violet) à 700 nm (rouge)
- ★Interfrange : i = λD/a
- ★Énergie photon : E = hf
- ★La lumière est ONDE et CORPUSCULE
Vocabulaire essentiel
Spectre électromagnétique
Ensemble de toutes les ondes EM classées par longueur d'onde : radio, IR, visible, UV, X, γ.
Photon
Quantum d'énergie lumineuse. Particule associée à l'onde lumineuse.
Interfrange
Distance entre deux franges brillantes (ou sombres) consécutives dans une figure d'interférences.
Dualité onde-corpuscule
Double nature de la lumière (et de la matière) : comportement d'onde ET de particule.
Erreurs fréquentes au Bac
- ⚠Confondre λ en nm (nanomètres) et m (mètres) : 1 nm = 10⁻⁹ m
- ⚠Oublier de convertir les nm en m avant d'utiliser c = λf
- ⚠Confondre spectre d'émission (raies brillantes sur fond noir) et d'absorption (raies sombres sur fond continu)
- ⚠Croire que la dualité onde-corpuscule ne s'applique qu'à la lumière (elle s'applique aussi à la matière)
Conseils de révision
- Retenir les ordres de grandeur : λ visible ≈ 400-700 nm, λ radio ≈ m à km
- Pour l'interfrange : vérifier que les unités sont cohérentes (tout en mètres)
- L'énergie d'un photon augmente quand λ diminue (UV plus énergétique que IR)
- Les spectres de raies sont une empreinte digitale des atomes
Exercices types au Bac
- Exo 1Calculer l'angle de diffraction pour une lumière laser à travers une fente
- Exo 2Déterminer l'interfrange dans une expérience de Young
- Exo 3Calculer l'énergie d'un photon UV/visible/IR
- Exo 4Identifier un élément chimique à partir de son spectre d'émission