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Les sources lumineuses et la formation d'un rayon lumineux
Fiche | Physique
Secondaire
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Les sources lumineuses
Une source lumineuse est un objet duquel on reçoit un rayonnement lumineux. Cet objet peut soit produire sa propre lumière, soit réfléchir le rayonnement d’une autre source.
Source lumineuse ponctuelle
Une source lumineuse ponctuelle émet de la lumière dans toutes les directions, mais donne l’impression que sa lumière ne vient que d’un seul point.
Si on utilise une source lumineuse ponctuelle pour éclairer un objet, ce dernier créera une zone d'ombre, mais aucune pénombre ne pourra être observée.
Les étoiles lointaines en sont un bon exemple. Une étoile émet de la lumière dans toutes les directions, mais elle apparaît à nos yeux comme un point dans le ciel de la nuit.
En laboratoire, on utilise une boîte à faisceaux ou un pointeur laser pour représenter une source lumineuse ponctuelle.
Source lumineuse étendue
Une source lumineuse étendue émet de la lumière dans toutes les directions depuis une surface plus grande qu’un point.
Une source lumineuse étendue produira des zones d'ombre et de pénombre lorsqu'elle éclairera un objet.
Le Soleil apparaît plus gros qu’un point et émet sa lumière dans toutes les directions. Par conséquent, selon notre position sur Terre, le Soleil est une source lumineuse étendue.
En laboratoire, on utilise une lampe de poche ou une ampoule pour représenter une source de lumière étendue.
Cette illustration montre à gauche que la source ponctuelle provient d’une surface trop petite pour être mesurée. À droite, la source étendue provient d’une surface que l’on peut mesurer.
Une relation mathématique existe entre la distance entre la source et l'écran et l'aire de la surface éclairée par cette source.
|\displaystyle \frac{A_{1}}{A_{2}}=\frac {{d_{1}}^{2}}{{d_{2}}^{2}}|
où
|{A_{1}}| représente l'aire de la surface éclairée initialement
|{A_{2}}| représente l'aire de la surface éclairée en deuxième lieu
|{d_{1}}| représente la distance entre la source et l'écran initialement
|{d_{2}}| représente la distance entre la source et l'écran en deuxième lieu
De cette relation, on déduit également que plus la distance est grande, plus l’aire d’éclairement est grande. En d'autres mots, l’aire d’éclairement est proportionnelle au carré de la distance entre la source et l'écran.
De plus, une autre relation mathématique existe entre la distance entre la source et l'écran et l'intensité d'éclairement.
|\displaystyle \frac{E_{1}}{E_{2}}=\frac {{d_{2}}^{2}}{{d_{1}}^{2}}|
où
|{E_{1}}| représente l'éclairement lumineux initialement |\small \text {(lux)}|
|{E_{2}}| représente l'éclairement lumineux en deuxième lieu |\small \text {(lux)}|
|{d_{2}}| représente la distance entre la source et l'écran en deuxième lieu
|{d_{1}}| représente la distance entre la source et l'écran en initialement
De cette relation, on déduit que plus la distance est grande, plus l’éclairement lumineux est petit. L'éclairement lumineux est inversement proportionnel au carré de la distance entre la source et l'écran.
La formation d'un rayon lumineux
L’une des propriétés de la lumière est qu’elle se déplace en ligne droite. De plus, les sources ponctuelles et les sources étendues émettent de la lumière dans toutes les directions.
Or, il arrive parfois que la lumière se propage en suivant certains schémas. On classe ces schémas lumineux en fonction de l’ouverture qu’ils prennent.
L’illustration suivante représente une source lumineuse étendue dont la lumière traverse successivement deux panneaux opaques troués. À chaque passage, la lumière change de grandeur: le nom de la lumière va également changer.
Faisceau lumineux
Un faisceau lumineux représente l'ensemble des rayons lumineux produit par une source lumineuse dans une direction donnée.
Le faisceau lumineux est le plus large des trois schémas de lumière. En laboratoire, une boîte à faisceaux est souvent utilisée, car elle permet de produire un faisceau lumineux qui peut être facilement dirigé vers un objet.
La lumière émise par les phares d’une voiture ou celle par une lampe de poche sont des faisceaux lumineux, car la propagation de la lumière se fait par de grandes ouvertures.
Pinceau lumineux
Un pinceau lumineux est un groupe de rayons lumineux qui se propagent avec un angle d’ouverture se rapprochant de zéro.
Comme on le voit dans la première illustration, la lumière aura d’abord traversé une ouverture très petite pour former ensuite un pinceau. C'est le même principe en laboratoire: comme il a été mentionné plus tôt, la boîte à faisceaux est utilisée pour éclairer un objet. Toutefois, un faisceau est souvent trop large pour un usage pratique durant une expérience. C'est pourquoi on utilise un écran à fentes, ce qui permet de réduire la largeur du faisceau, créant ainsi un pinceau.
Un laser permet de produire un pinceau lumineux qui peut être utilisé pour étudier différents phénomènes physiques. Il faut toutefois être prudent, car certains rayons peuvent entraîner des dommages aux yeux.
Rayon lumineux
Le rayon lumineux représente le trajet suivi par la lumière à partir d'un point d'une source lumineuse. Par conséquent, ce rayon lumineux se propage avec un angle d’ouverture égal à zéro.
Dans la réalité, il est pratiquement impossible de créer un trou assez petit pour ne laisser passer qu’un seul rayon lumineux. Par contre, le concept de rayon lumineux est utile pour certains dessins en physique optique.