La lumière: propagation et vitesse



 

Propagation de la lumière dans un milieu homogène


Définition d'un milieu homogène


Un milieu matériel est dit homogène à condition:

  • de n'être composé que d'une seule phase (un gaz, un liquide unique, un solide pur )

  • que les grandeurs physiques qui le caractérise aient les même valeur en tous points (tous les points ce milieu sont à la même température, même presssion, même densité, même indice de réfraction etc)


Dans un milieu homogène la lumière se propage en ligne doite.


Dans le vide ou l'air sa vitesse de propagation (aussi appelée célérité) est de c = 299 792 458 m/s soit environ:


 c = 3,00 x 108 m/s

ou encore

 c = 3,00 x 105 km/s

Distance parcourue par la lumière


L'expression qui permet de relier la distance parcourue à la vitesse et à la durée du mouvement est d = v x Δt.


Dans le cas de la lumière (et même de tout autre type d'onde) il est possible d'adapter cette relation, on obtient alors:


 d = c x Δt

où:

  • d est la distance parcourue en mètre (m)

  • c est la célérité de la lumière dans le milieu en mètre pas seconde (m/s)

  • Δt est la durée de propagation en seconde (s)


Remarque

Il est possible d'utiliser d'autres combinaisons d'unités (à condition de rester cohérent) mais celles citées précédemment sont les plus fréquentes.


D'après cette relation on peut par exemple montrer que la lumière parcourt:

- 3,00 x 105 km en une seconde (soit un peu moins de que la distance Terre-Lune moyenne)

- 1,80 x 108 km en dix minutes (soit un peu plus que la distance moyenne Terre-Soleil)


Durée de propagation de la lumière


En modifiant la relation du paragraphe précédent il est possible d'exprimer la durée de propagation de la lumière:


Δt =
  d  

c                  

Cette relation permet de montrer par exemple que:


  • la lumière met environ 3 milliardièmes de seconde pour parcourir une distance d'un mètre.

  • la lumière émise par le Soleil met près dehuit minute pour parvenir jusqu'à la Terre.

Transmission, réflexion et absorption


Si la lumière change de milieu (par exemple lorsqu'elle pas de l'air à l'eau ou du verre à l'air...) alors trois phénomènes peuvent intervenir :


  • La réflexion : Une partie de la lumière change de direction sans pénétrer dans l’obstacle, elle est réfléchie.

  • La transmission : Une partie de la lumière incidente traverse l’obstacle, elle est transmise.

  • L’absorption : Une partie de la lumière incidente n’est ni réfléchie ni transmise, elle a absorbée par l’obstacle.


En général ces trois phénomènes (transmission, réflexion et absorption) ont lieu simultanément mais dans certains milieux, pour certaines longueurs d'ondes, l’un de ces trois phénomènes est nettement prépondérant sur les deux autres :

  • Si l’onde est intégralement transmise, on dit que le milieu est transparent pour l’onde considérée.

Exemple : le verre

  • Si l’onde est intégralement réfléchie, on dit que le milieu est réfléchissant pour l’onde considérée.

Exemple : un miroir

  • Si l’onde est intégralement absorbée, on dit que le milieu est opaque pour l’onde considérée.

Exemple : le café    



L'année-lumière


Les distances astronomiques sont parfois exprimées en année-lumière de symbole al, il s'agit d'une unité mieux adaptée pour exprimer les gigantesques distances qui sépare les astres. On l'utilse par exemple pour exprimer la distance entre les étoiles ou les galaxie.


Attention: contrairement à une idée reçue largement répandue, l'année lumière n'est pas une unité de temps mais de distance.


Remarque


Au niveau du système solaire il n'est pas pratique d'utiliser l'année-lumière on préfère soit utiliser tous simplement le km ou l'unité astronomique (ua) qui correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil.


Définition


Une année de lumière (symbole al) est la distance parcourue par la lumière pendant une année lorsqu'elle se propage dans le vide.


On peut retrouver la valeur d'une année de lumière en kilomètre en appliquant cette définition:


L'expression de la distance parcourue par la lumière est d = c x Δt

Dans cette expression la célérité est celle de la lumière dans le vide (c=3,00 x 108 m/s )

La durée est celle d'une année terrestre exprimée en seconde soit Δt = 365 x 24 x 60 x 60 s


Par conséquent: 1 al = 3,00 x 108 x 365 x 24 x 60 x 60


1 al = 9,46 x 1015 m


 
 

 

 

 









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