Tpe La Nature De La Lumiere

TPE : Nature de la lumière

Réalisé par Dimitri CHANG, Ralph ALSABEH, Martial VALARCHE

1ère S – Lycée Polyvalent Léon Blum

Sommaire :

Introduction : 2

I] Comportement corpusculaire de la lumière 7

II] Comportement ondulatoire de la lumière 12

III] La dualité onde-corpuscule de la lumière 18

Conclusion : 23

Sitographie : 24

Remerciements : 25

Introduction :

Fondamentalement, la lumière est un phénomène physique, un transport d'énergie sans matière. De plus, la lumière est indispensable pour nous, les êtres humains, de la lumière du Soleil qui permet la clarté du jour aux lampes modernes qui permettent d’éclairer l’obscurité en pleine nuit sombre. Elle est également indispensable à la vision, qui est l’un des 5 sens de l’Homme. Enfin, la lumière possède une grande valeur symbolique : elle permet de percevoir les objets avant de les toucher ; elle s’associe d’ailleurs à la connaissance dans toutes les cultures. En revanche, nous ne connaissons pas sa véritable nature alors que nous la côtoyons quotidiennement.

Figure 1 : Image de la lumière perçue dans le noir

Historiquement, les physiciens et philosophes grecs de l’Antiquité se posaient déjà la question sur la véritable nature de la lumière : pour le philosophe Empédocle, la lumière est issue du feu, l’un des quatre éléments de la théorie portant son nom (Feu, Air, Eau et Terre) ; pour les célèbres philosophes et physiciens Platon et Aristote, la lumière est un rayon visuel émis par l’œil qui va à la rencontre des objets et permet ainsi leur vision : l’œil n’était pas le récepteur mais la « source » de la vision ; et pour le philosophe Démocrite, la « lumière est un jet de particules », c’est-à-dire qu’elle est composée de particules. Cette dernière théorie sera reprise par le célèbre physicien de l’ère moderne : Isaac Newton.

Figure 2: Tableau intitulé L'Ecole d'Athènes, présentant notamment Platon et Aristote au centre de l'œuvre

Des siècles plus tard, après que René Descartes, un physicien et mathématicien français du XVIIème siècle ait fait l’interprétation géométrique de la lumière, les physiciens du XVIIIème siècle ont cherché à comprendre différents thèmes autour de la lumière : la vitesse de la lumière, l’arc-en-ciel, la dispersion des couleurs par le prisme … Tout ceci les a amenés à étudier la lumière dans des conditions très particulières.

La théorie corpusculaire de la lumière sera plus tard développée par Isaac Newton au XVIIème siècle. En effet, le père de la gravitation développe la théorie corpusculaire de la lumière : il imagine que la lumière est constituée de petites particules n’ayant aucune interaction entre elles.

Cependant, un groupe de physiciens prendront le parti de la théorie ondulatoire, qui s’oppose au prestige du grand Newton, l’inventeur de la théorie de la gravitation universelle. A la tête de ce groupe, Christian Huygens, lui, imagine que la lumière est une vibration qui se propage dans un milieu, à l’image d’une onde. Pour cela, Huygens applique pour cela un point de vue cartésien : la physique de Descartes est une physique du plein : il n’y a pas de vide et toute transmission de mouvement se fait mécaniquement, par contact… C’est très différent de ce que disent les principes newtoniens (comme celui de la gravitation universelle) qui permettent qu’une action se fasse « à distance ».

Figure 3 : D'un côté, Newton, de l'autre Huygens, ayant des idées différentes sur la nature réelle de la lumière

Prenons le phénomène de réfraction de la lumière, quand la lumière pénètre d’un milieu transparent à un autre (de l’air à l’eau par exemple), elle change de direction.

Selon Huygens, s’il y a le phénomène de réfraction, c’est parce que la vitesse des ondes diminue quand elle pénètre dans l’eau. Au contraire, Newton utilise les règles qui régissent la balistique des projectiles, pour lui, s’il y a réfraction, c’est parce que la vitesse des corpuscules augmente.

Figure 4 : Schémas de la réfraction de la lumière et théories des deux savants qui s'opposent

Ce débat onde/corpuscule va appeler des générations de physiciens après eux à débattre sur la véritable nature de la lumière.

Ainsi, nous aussi, nous pouvons nous questionner sur la nature réelle de la lumière en prenant la problématique suivante :

Quelle est la véritable nature de la lumière ?

Dans un premier temps, nous analyserons le comportement ondulatoire de la lumière ; puis nous étudierons le comportement corpusculaire de la lumière ; et enfin, nous définirons le terme de dualité onde-corpuscule de la lumière.

I] Comportement corpusculaire de la lumière

Pour commencer, un corpuscule est un terme qui fait référence aux particules en physique. Un corpuscule possède une masse, une vitesse, une quantité de mouvement, une énergie cinétique et une énergie potentielle.

Figure 5 : Représentation simplifiée d'une particule

Pour le célèbre physicien britannique Isaac Newton (1643-1727), la lumière est de nature corpusculaire. En effet, il affirme qu’un rayon lumineux est constitué de petites particules rapides et massiques suivant une trajectoire rectiligne.

Figure 6 : Isaac Newton, figure emblématique de la physique moderne

Bénéficiant d’un immense prestige, notamment

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