5 choses que chaque humain devrait savoir sur la lumière

5 choses que chaque humain devrait savoir sur la lumière

2015 est l’année internationale de la lumière (mais l’année universelle de la lumière est en 2533). Je pense que nous pouvons tous convenir que la lumière est très importante dans à peu près tous les aspects de notre vie. Mais quelles sont les principales choses que tout être humain devrait savoir à son sujet ? Je ne vais pas m’occuper des enfants de moins de 7 ans. Les enfants plus jeunes savent probablement beaucoup de choses sur la lumière (puisqu’ils l’utilisent tout le temps), mais ne nous en préoccupons pas pour l’instant. Donc, si vous avez plus de 7 ans, faites attention.

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La lumière est une onde

Qu’est-ce qu’une onde ? Commençons par un exemple. Lancez une pierre dans une flaque d’eau et vous verrez quelque chose comme ceci:

La pierre crée une perturbation dans l’eau (une ondulation). Cette perturbation se déplace radialement vers l’extérieur à partir de l’endroit où la roche a frappé. C’est la perturbation qui se déplace vers l’extérieur, pas les molécules d’eau – elles se déplacent simplement de haut en bas. Vous pouvez faire quelque chose de similaire avec une longueur de ficelle. Placez-la sur le sol et continuez à secouer une extrémité. La perturbation se déplace le long de la ficelle (une ficelle lourde fonctionne mieux).

Regardons le cas d’une onde qui se déplace le long d’une ficelle. Il y a 4 propriétés que vous pourriez considérer :

Ces 4 propriétés sont :

• Amplitude : c’est la taille du déplacement de la perturbation. Les unités de l’amplitude dépendent du type d’onde. Pour une corde, les unités seraient les mètres.
• Vitesse de la vague : si vous deviez observer un déplacement, il serait en mouvement. La vitesse de l’onde est la vitesse (cela semble redondant). L’unité de la vitesse de l’onde est le mètre par seconde.
• La longueur d’onde : c’est la distance d’une perturbation à la suivante mesurée en mètres
• Fréquence : si vous deviez compter combien d’ondes passent devant un point stationnaire en chaque seconde, ce serait la fréquence (en cycles par seconde ou Hertz).

Les trois dernières propriétés sont liées. La vitesse de l’onde est égale au produit de la longueur d’onde et de la fréquence.

Donc, la lumière est une onde. Cela signifie qu’elle possède toutes les propriétés ci-dessus et qu’elle peut faire des choses ondulatoires telles que :

• S’étendre et rayonner dans toutes les directions (comme une ampoule électrique ou les vagues dans l’eau causées par un rocher).
• Interférer avec d’autres ondes.
• Courber autour des coins (oui, la lumière fait cela – mais c’est difficile à voir).
• Porter de l’énergie et de la quantité de mouvement.
• Interagir avec la matière.

La lumière fait toutes ces choses.

La lumière est une onde électromagnétique

Vous pouvez faire votre propre onde. Prenez une longue rallonge électrique et étendez-la sur le sol. Maintenant, donnez à une extrémité une secousse verticale. Vous devriez obtenir quelque chose comme ceci (ce gif est au ralenti):

Maintenant, enlevez la rallonge et répétez la démonstration. Oui, il ne se passe rien. Si vous n’avez pas de milieu dans lequel une onde peut voyager, il n’y a pas d’onde. Mais qu’en est-il de la lumière ? La lumière est une onde, non ? Oui, en effet (comme je l’ai décrit ci-dessus). Alors, comment la lumière voyage-t-elle dans l’espace vide lorsqu’elle va du Soleil à la Terre ? Quel est le milieu d’une onde lumineuse ?

Il s’avère qu’il y a deux choses importantes à propos des champs électriques et magnétiques. Premièrement, voici un fil transportant un courant électrique sur un compas magnétique. Le courant électrique crée un champ magnétique qui fait tourner l’aiguille de la boussole.

Mais vous n’avez même pas besoin d’un courant électrique pour créer des champs magnétiques. Il s’avère qu’un champ électrique changeant fera également un champ magnétique. Voici une bobine de fil connectée à une ampoule électrique (sans pile). Lorsqu’elle est placée au-dessus de ce champ magnétique changeant, le champ électrique changeant est créé qui entraîne un courant.

Nous avons donc un champ électrique changeant qui crée un champ magnétique et un champ magnétique changeant crée un champ électrique. Mettez ces deux idées ensemble et vous pouvez faire deux ondes (une onde de champ électrique et une onde de champ magnétique) qui se propagent l’une l’autre. Les ondes électromagnétiques n’ont pas besoin de milieu car, en un sens, elles sont leur propre milieu.

Les différentes longueurs d’onde de la lumière interagissent différemment avec la matière

Premièrement, il y a le spectre électromagnétique. Vous pouvez faire une onde électromagnétique de toutes les différentes longueurs d’onde – de plus d’un mètre (ondes radio) à moins de 10 picomètres (rayons gamma – mais ce sont toujours des ondes). Voici la classification commune du spectre électromagnétique allant des grandes longueurs d’onde aux petites.

• Radio
• Micro-ondes
• Infrarouge
• Lumière visible
• Ultraviolet
• X-(mais ce sont des ondes)
• Rayons gamma

Toutes ces ondes sont électromagnétiques et se déplacent toutes à la même vitesse (la vitesse de la lumière). Cependant, elles ont des interactions différentes avec la matière. Si vous êtes à l’intérieur, votre téléphone portable peut toujours recevoir des données d’une tour cellulaire puisque ces ondes radio traversent la plupart des murs. Pouvez-vous voir à travers les murs ? Non. La lumière visible ne traverse pas la plupart des murs. Les rayons X traversent surtout votre peau, mais vous ne pouvez pas voir (avec la lumière visible) à travers la peau – ce serait juste bizarre.

Techniquement, l’interaction avec la lumière et la matière dépend de la fréquence de la lumière – mais puisque la fréquence et la longueur d’onde sont liées, nous pouvons juste parler de la longueur d’onde.

Vous voyez des choses quand la lumière entre dans votre œil

Ok, ceci ne concerne pas seulement la lumière mais aussi la façon dont les humains fonctionnent.

Il y a deux façons dont la lumière pourrait entrer dans votre œil. Premièrement, il pourrait y avoir une source de lumière (comme une ampoule) qui crée de la lumière. Cette lumière se déplace ensuite dans votre œil et BOOM – votre cerveau interprète ce signal comme de la lumière. L’autre moyen (plus courant) est de voir les choses par la lumière réfléchie. Supposons que vous regardiez un crayon. La lumière (provenant de quelque part) se reflète sur le crayon puis dans votre œil.

Mais que se passe-t-il s’il n’y a pas de lumière qui entre dans votre œil ? Et si vous vous trouvez dans un endroit où il n’y a absolument aucune source de lumière ? Dans ce cas, vous percevez la couleur noire. En fait, cette question peut être amusante. Demandez à quelqu’un ceci :

Avez-vous déjà été dans un endroit où il n’y a absolument aucune lumière ? (la plupart des gens ne l’ont pas fait) Si vous êtes dans une pièce qui est complètement sombre, que verriez-vous ? Que se passe-t-il après avoir attendu très, très longtemps ?

L’une des réponses très courantes est que vous verrez tout en noir – au début. Ces humains diront aussi qu’après un certain temps, vos yeux s’ajusteront et alors vous verrez quelque chose. La réponse correcte est que vous ne verrez que du noir – pour toujours. Si aucune lumière ne pénètre dans votre œil, vous ne verrez que du noir. L’idée commune est basée sur une expérience commune. Normalement, si vous vous trouvez dans une pièce sombre, vos yeux s’adaptent effectivement. Cependant, cela ne fonctionne que dans les pièces avec un peu de lumière – et il y a presque toujours au moins un peu de lumière.

Tous les objets produisent de la lumière

Je devrais peut-être dire que tous les objets créent des ondes électromagnétiques – ils le font. Prenons un exemple dans votre maison. Allez dans votre cuisine et mettez la cuisinière à feu vif (en supposant que vous ayez une cuisinière électrique). Maintenant, il suffit de la regarder pendant qu’elle devient plus chaude (mais ne la touchez pas).

Éventuellement, l’élément de la cuisinière deviendra si chaud qu’il brillera d’une faible couleur rougeâtre (rouge chaud). Mais en fait, l’élément produisait de la lumière pendant tout ce temps. C’est juste qu’à des températures plus basses, la lumière électromagnétique est dans une longueur d’onde que vous ne pouvez pas voir – c’est dans le spectre infrarouge.

La plupart des choses que vous voyez autour de vous émettent un rayonnement EM (électromagnétique) dans le spectre infrarouge – donc vous ne pouvez pas le voir. Eh bien, en fait, vous pouvez indirectement le voir si vous avez une caméra infrarouge géniale (pour votre téléphone). Ces caméras thermiques décèlent la lumière infrarouge et créent une image en fausses couleurs que les humains peuvent voir. Dans la plupart des cas, les différentes couleurs de l’image infrarouge correspondent aux différentes températures des objets.

Voici un exemple. C’est mon chien sur un sol lisse. Remarquez que ses yeux et son nez sont plus chauds que les autres parties de son corps. Remarquez également que vous pouvez voir sa réflexion infrarouge sur le sol.

Mais est-ce que cela fonctionne pour des objets plus chauds que l’élément de votre cuisinière ? Oui. Lorsqu’un objet devient encore plus chaud, il crée de la lumière avec des longueurs d’onde de plus en plus courtes. Au bout d’un certain temps, l’objet devient blanc, car la lumière de courte longueur d’onde est produite en plus grande quantité. Oui, il pourrait même créer de la lumière ultraviolette à des températures encore plus élevées.

Ok, c’est les cinq choses que tout le monde devrait savoir sur la lumière.