Quatrième 2016-2017
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Quatrième 2016-2017

Les signaux lumineux et leurs applications

Les signaux lumineux, qu'ils soient visibles ou invisibles, se propagent très rapidement même si leur vitesse dépend du milieu. Le phénomène de réflexion permet d'utiliser la lumière pour mesurer des distances autrement inaccessibles ou pour transporter des informations dans une fibre optique.

I

Les différents types de lumière

A

La lumière visible

Lumière visible

La lumière visible est l'ensemble des ondes (ou radiations) électromagnétiques que les hommes perçoivent grâce à la vision. Elle correspond donc à l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel.

-
L'ensemble des radiations électromagnétiques visibles
B

Les lumières invisibles

Lumière invisible

Certaines radiations électromagnétiques sont invisibles, car non perceptibles par l'œil humain. On peut ainsi parler de lumière invisible.

Les rayons infrarouges, ultraviolets ou les ondes radio font partie des lumières invisibles. Pour les identifier, il faut se munir de détecteurs spéciaux.

-
Ensemble des lumières visibles et invisibles
II

La vitesse de la lumière

A

La valeur de la vitesse de la lumière

En appuyant sur un interrupteur, nous avons l'impression que les ampoules s'éclairent instantanément. En réalité, ce n'est pas le cas. En effet, la lumière produite par les ampoules met du temps à parvenir jusqu'à nos yeux. Elle possède donc une vitesse. Cette vitesse est néanmoins très élevée, d'où cette impression de simultanéité.

La vitesse de la lumière dans le vide est la plus grande vitesse qu'un corps puisse atteindre. On la note c et elle vaut :

c=300 000 000 m/s, soit c=300 000 km/s

B

L'influence du milieu sur la vitesse

Les lumières, qu'elles soient visibles ou pas, peuvent aussi bien se propager dans la matière, que dans le vide, contrairement aux sons.

Les différents rayonnements émis par le Soleil (lumière visible, rayons infrarouges, ultraviolets, etc) parviennent jusqu'à nous après s'être propagés dans le vide.

Milieu de propagation

Le milieu de propagation est le domaine où se propage une onde (lumineuse, radio ou sonore).

La lumière du Soleil se propage dans plusieurs milieux différents avant de parvenir jusqu'à nous. Sa trajectoire s'effectue en premier dans le vide (l'espace), puis dans notre atmosphère (l'air).

Dans le vide, la lumière se propage à la vitesse maximale de 300 000 km/s . Cependant, selon le milieu qu'elle traverse, il est possible qu'elle se propage moins vite.

La vitesse de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse.

Dans le verre, la vitesse de la lumière est d'environ 200 000 km/s.

III

La réflexion de la lumière

Réflexion de la lumière

La réflexion de la lumière est le changement de direction que subit un rayon lumineux (visible ou invisible) lorsqu'il rencontre un corps réfléchissant (un miroir, de l'eau, etc).

Lorsque la lumière du Soleil arrive à la surface de la mer, une partie d'entre elle est réfléchie vers l'air. C'est pour cette raison que nous sommes éblouis au bord de la mer, sans même regarder le ciel.

-

Réflexion de la lumière

IV

Les applications

A

La mesure de distance

Il est possible d'effectuer des mesures de distances avec la lumière :

Une source lumineuse émet un signal incident vers un corps réfléchissant. Il en résulte un signal réfléchi qui est ensuite détecté par un récepteur, généralement proche de l'émetteur. En connaissant la vitesse de la lumière dans le milieu dans lequel elle s'est propagée, et la durée de cet aller-retour, il devient possible de déterminer la distance séparant l'obstacle et l'ensemble émetteur − récepteur d'ondes lumineuses.

-

Principe de la mesure de distance par écho

Distance entre un ensemble émetteur-récepteur d'ondes et un obstacle réfléchissant

La distance d entre l'ensemble émetteur-récepteur lumineux et l'obstacle réfléchissant vaut :

d=c×Δt2

Avec :

  • d : distance entre l'ensemble émetteur-récepteur d'ondes et l'obstacle réfléchissant, en mètres (m).
  • c : vitesse de propagation de l'onde, en mètres par seconde (m.s−1).
  • Δt : durée séparant l'émission de l'onde et la réception de l'écho, en secondes (s).

Des miroirs ont été déposés sur la Lune lors de missions spatiales. Une onde lumineuse (laser) est envoyée depuis la Terre sur ces miroirs, qui les réfléchissent vers la Terre.

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Mesure de la distance Terre − Lune

La durée mesurée entre le départ et le retour du signal laser est de 2,56 s. La distance Terre − Lune est donc :

d=c×Δt2

d=300 000×2,562

d=384 000 km

En émettant des signaux radio qui sont réfléchis par les avions, un radar permet de les détecter et de les localiser.

-
Principe de la détection par radar
B

Le transport de l'information

La lumière peut être un bon moyen de transport pour de l'information codée. Elle permet surtout de la véhiculer rapidement.

En attribuant la valeur 0 lorsqu'une source lumineuse est éteinte et la valeur 1 lorsqu'elle est allumée, un signal lumineux peut transporter une information codée en binaire (succession de 0 et 1).

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Transport d'une information binaire à l'aide d'un signal lumineux

Normalement, la trajectoire de la lumière est rectiligne. Cependant, on peut guider sa propagation grâce aux fibres optiques : la lumière qui circule dans les fibres optiques peut alors changer de direction.

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Propagation d'un signal lumineux dans une fibre optique

Wikimedia Commons

La lumière se propage à l'intérieur de la fibre optique en subissant plusieurs réflexions.

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Propagation d'un rayon lumineux à l'intérieur d'une fibre optique

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