Mon espace Me contacter

Physique-chimie, Troisième • Exercices corrigés à Montréal

Fiche de révision : lumière, couleurs et spectres (Troisième)

Ce chapitre est presque entièrement fait de RAISONNEMENTS, pas de calculs : quelles couleurs arrivent, lesquelles repartent, lesquelles ont été retirées en chemin. Une seule formule s'y cache, la vergence, et elle se rate toujours de la même façon, sur l'unité.

Cette fiche est écrite pour les élèves de Troisième du programme français, à Montréal comme ailleurs, et elle vise directement les questions de brevet. La série d'exercices corrigés du même chapitre met ensuite chaque réflexe à l'épreuve.

Le fil du chapitre

Rien ne CRÉE de couleur : le prisme sépare, le filtre retire, l'objet diffuse une partie de ce qu'il reçoit. Presque toutes les pertes de points viennent d'avoir appliqué la règle de la synthèse additive à des filtres, ou d'avoir oublié la couleur de l'éclairage.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Troisième

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (3 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Mouvement et vitesseSixième
  2. 2Lumière, ombres et système solaireSixième
  3. 3Mouvement, vitesse et lumièreQuatrième

L'essentiel

La lumière blanche est un MÉLANGE, et le prisme ne fait que le défaire

  • • Un prisme SÉPARE les couleurs de la lumière blanche : c'est la DISPERSION. Il n'en crée aucune.
  • • Ordre du plus dévié au moins dévié : violet, bleu, vert, jaune, orange, rouge.
  • • Le visible s'étend d'environ 400400 nanomètres, le violet, à 800800 nanomètres, le rouge.
  • • En dessous de 400400 nm, les ultraviolets; au dessus de 800800 nm, les infrarouges. Ni les uns ni les autres ne se voient.
lumière blanchevioletrouge
Le prisme SÉPARE les couleurs déjà présentes dans la lumière blanche, il n'en crée aucune. Le violet est le plus dévié, le rouge le moins, et le visible s'étend d'environ 400400 à 800800 nanomètres.

C'est la même dispersion qui produit l'arc-en-ciel : les gouttes de pluie jouent le rôle du prisme, et l'ordre des couleurs y est toujours le même.

Synthèse additive et filtres : deux règles opposées

  • • SYNTHÈSE ADDITIVE, pour des LUMIÈRES : primaires ROUGE, VERT et BLEU. Rouge plus vert donne du jaune, rouge plus bleu du magenta, vert plus bleu du cyan, les trois ensemble du blanc.
  • • Ajouter des lumières ÉCLAIRCIT toujours : c'est le principe d'un écran.
  • • FILTRE : il TRANSMET sa couleur et ABSORBE les autres. Deux filtres en série ne laissent passer que ce qui survit aux DEUX tris, donc souvent rien.
  • • Ne JAMAIS appliquer la règle additive à des filtres successifs : le filtre retire, il n'ajoute pas.

Un moyen sûr : écrire pour chaque filtre la liste des couleurs qu'il laisse passer, puis garder l'INTERSECTION des listes. Jaune laisse rouge et vert, cyan laisse vert et bleu, il ne reste que le vert.

La couleur d'un objet dépend de l'éclairage

  • • Un objet opaque DIFFUSE certaines couleurs et ABSORBE les autres. Sa couleur perçue est celle qu'il diffuse.
  • • Un objet ne peut JAMAIS renvoyer une couleur absente de la lumière qu'il reçoit : un tissu bleu éclairé en lumière jaune paraît NOIR.
  • • Un objet BLANC diffuse tout : il prend la couleur de son éclairage.
  • • Un objet NOIR absorbe tout : il reste noir sous n'importe quel éclairage.

Le noir n'est pas une couleur renvoyée, c'est l'ABSENCE de lumière renvoyée. C'est pourquoi « paraît noir » est toujours une réponse possible dans ce chapitre.

Lentilles, vergence et les trois spectres

  • • Une lentille CONVERGENTE est plus épaisse au centre et rassemble les rayons parallèles en son FOYER, à la distance focale f′f'.
  • • VERGENCE C=1f′C=\frac{1}{f'}, en dioptries, avec f′f' en MÈTRES. Grande vergence, foyer proche. Une lentille divergente a une vergence NÉGATIVE.
  • • L'ŒIL : le cristallin est la lentille, l'iris le diaphragme, la rétine le capteur. Un œil MYOPE est trop convergent et se corrige par une lentille DIVERGENTE, de vergence négative; un œil hypermétrope ne l'est pas assez et se corrige par une lentille convergente.
  • • SPECTRES : CONTINU pour un corps chaud dense, dont l'allure renseigne sur la température; RAIES D'ÉMISSION pour un gaz chaud peu dense, signature propre à chaque élément; RAIES D'ABSORPTION quand un gaz froid s'interpose, aux MÊMES positions que ses raies d'émission.
continuémissionabsorption
Un corps chaud dense donne un spectre CONTINU; un gaz chaud peu dense, des raies d'ÉMISSION; un gaz froid interposé, des raies d'ABSORPTION aux MÊMES positions. Ces positions identifient l'élément.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Appliquer la règle additive à deux filtres en série

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Un filtre jaune et un filtre cyan donnent du blanc, puisque jaune plus cyan éclaircit. »

Ce qu'il faut écrire

« Le jaune laisse passer rouge et vert; le cyan laisse passer vert et bleu. Il ne reste que ce qui survit aux deux tris, c'est à dire le VERT. »

blancrouge + vertvertfiltre jaunefiltre cyan
Chaque filtre RETIRE, il n'ajoute jamais : le jaune ne laisse passer que le rouge et le vert, le cyan que le vert et le bleu. Ce qui survit aux deux tris est donc le VERT seul.

Pourquoi : La synthèse additive concerne des LUMIÈRES qu'on ajoute; des filtres, eux, se succèdent et chacun ne fait que retirer. Deux règles opposées, et c'est la confusion la plus coûteuse du chapitre.

2. Croire que le prisme fabrique les couleurs

1 à 2 points, et l'interprétation de toute l'expérience

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le prisme transforme la lumière blanche en couleurs. »

Ce qu'il faut écrire

« Le prisme SÉPARE des couleurs déjà présentes dans la lumière blanche : il les dévie inégalement, c'est la dispersion. »

Pourquoi : L'expérience décisive consiste à recombiner le spectre avec un second prisme : on retrouve du blanc. Si le premier prisme avait créé les couleurs, le second en créerait d'autres.

3. Donner la couleur d'un objet sans regarder l'éclairage

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Ce tissu est bleu, donc il paraît bleu. »

Ce qu'il faut écrire

« Sous une lumière JAUNE, faite de rouge et de vert, le tissu bleu ne reçoit aucun bleu : il ne peut rien diffuser et il paraît NOIR. »

Pourquoi : La couleur d'un objet est une PROPRIÉTÉ de ce qu'il diffuse, pas une couleur qu'il possède. Sans lumière de la bonne couleur, il n'a rien à renvoyer.

4. Mélanger la synthèse additive et le mélange de peintures

2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Rouge et vert donnent du marron, comme en peinture. »

Ce qu'il faut écrire

« En LUMIÈRES, rouge plus vert donne du JAUNE. Le mélange de peintures suit une autre règle, parce que chaque pigment ABSORBE une partie de la lumière au lieu d'en ajouter. »

Pourquoi : Les peintures se comportent comme des filtres superposés : elles retirent. Les lumières s'ajoutent. Les deux règles donnent presque toujours des réponses différentes.

5. Calculer une vergence avec une focale en centimètres

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« f′=25f'=25 cm, donc C=125=0,04C=\frac{1}{25}=0{,}04 dioptrie. »

Ce qu'il faut écrire

« La focale s'exprime en MÈTRES : f′=0,25f'=0{,}25 m, donc C=10,25=4C=\frac{1}{0{,}25}=4 dioptries. »

Pourquoi : La dioptrie est définie comme l'inverse du mètre. Une vergence de 0,040{,}04 dioptrie correspondrait à une lentille de 2525 mètres de focale, ce qui n'existe dans aucune paire de lunettes.

6. Se tromper de signe dans la correction d'un œil

toute la question

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'œil myope voit mal de loin, il faut donc renforcer sa convergence : lentille convergente. »

Ce qu'il faut écrire

« L'œil myope est DÉJÀ trop convergent, l'image se forme avant la rétine. On le corrige avec une lentille DIVERGENTE, de vergence NÉGATIVE. »

Pourquoi : Le raisonnement se fait sur la position de l'image, pas sur la distance de vision : trop convergent, on retire de la convergence. L'hypermétrope, lui, ne l'est pas assez et reçoit une lentille convergente.

7. Placer les raies d'absorption ailleurs que les raies d'émission

toute la question d'identification

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les raies noires du spectre d'absorption sont entre les raies colorées d'émission. »

Ce qu'il faut écrire

« Elles sont aux MÊMES positions : un gaz absorbe exactement les couleurs qu'il émettrait s'il était chaud. C'est ce qui permet d'identifier les éléments d'une étoile. »

Pourquoi : Émission et absorption sont deux faces d'un même phénomène, propre à chaque élément. Si les positions différaient, aucune identification ne serait possible, et l'astronomie ne saurait rien de la composition des étoiles.

8. Croire qu'un objet noir renvoie du noir

1 à 2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le tissu noir diffuse du noir. »

Ce qu'il faut écrire

« Le noir n'est pas une couleur renvoyée : le tissu noir ABSORBE toutes les couleurs et n'en diffuse aucune. »

Pourquoi : Voir noir, c'est ne recevoir aucune lumière de l'objet. Cette distinction est aussi ce qui explique qu'un vêtement noir chauffe au soleil : toute l'énergie reçue est absorbée.

Quelle méthode choisir

Quelle règle appliquer, selon la situation décrite

Trois situations et trois règles opposées. On regarde ce que l'énoncé fait de la lumière : on l'ajoute, on la trie, ou on la renvoie.

  • Si on SUPERPOSE des faisceaux lumineux, des projecteurs, des pixels → SYNTHÈSE ADDITIVE : on additionne les primaires, le résultat s'éclaircit

    Exemple : rouge plus vert donne du jaune, les trois donnent du blanc

  • Si la lumière TRAVERSE un ou plusieurs filtres → on écrit la liste transmise par chaque filtre et l'on garde l'INTERSECTION

    Exemple : jaune puis cyan ne laissent passer que le vert

    Deux filtres de couleurs primaires différentes ne laissent rien passer du tout : le résultat est noir.

  • Si la lumière ARRIVE sur un objet opaque → on croise ce que la lumière contient avec ce que l'objet diffuse

    Exemple : tissu bleu sous lumière jaune : rien de commun, donc noir

  • Si l'énoncé parle d'un objet BLANC ou NOIR → le blanc prend la couleur de l'éclairage, le noir reste noir

    Exemple : une feuille blanche sous une lampe rouge paraît rouge

Dans les trois cas, la même phrase clôt le raisonnement : un objet ne peut renvoyer que ce qu'il a REÇU. Elle vaut souvent un point à elle seule.

Quel spectre, et ce qu'il apprend

Trois spectres, et la question à se poser est toujours la même : la source est-elle dense ou diluée, et y a-t-il un gaz froid entre elle et l'observateur ?

  • Si la source est un solide, un liquide ou un gaz DENSE, et chaude → spectre CONTINU, dont l'allure renseigne sur la TEMPÉRATURE

    Exemple : le filament d'une lampe, la surface d'une étoile

  • Si la source est un gaz chaud PEU DENSE → spectre de RAIES D'ÉMISSION, signature propre à chaque élément

    Exemple : une lampe à vapeur de sodium, une aurore boréale

  • Si un gaz FROID s'interpose devant une source continue → spectre de RAIES D'ABSORPTION, aux mêmes positions que les raies d'émission de ce gaz

    Exemple : l'atmosphère d'une étoile, qui révèle sa composition

    C'est la seule méthode dont on dispose pour connaître la composition chimique d'une étoile : on compare ses raies noires à celles obtenues en laboratoire.

  • Si l'énoncé demande d'identifier un élément → comparer les POSITIONS des raies, jamais leur intensité ni leur nombre

    Exemple : les raies de l'hydrogène retrouvées dans le spectre du Soleil

Une raie plus ou moins marquée renseigne sur la quantité de gaz, jamais sur sa nature : seule la POSITION identifie l'élément.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Prévoir la couleur d'un objet sous un éclairage donné

Quand l'utiliser : L'énoncé donne la couleur d'une lumière et celle d'un objet, et demande de quelle couleur l'objet paraît.

  1. 1 Décomposer la LUMIÈRE en primaires et l'écrire : « La lumière jaune est faite de rouge et de vert. »
  2. 2 Écrire ce que l'OBJET diffuse : « Le tissu bleu diffuse le bleu et absorbe le reste. »
  3. 3 Croiser les deux listes : « La lumière ne contient pas de bleu, et le tissu ne diffuse que le bleu. »
  4. 4 Conclure sur ce qui est effectivement renvoyé : « Rien n'est diffusé vers l'observateur. »
  5. 5 Donner la couleur perçue par une phrase complète, en rappelant la règle : « Un objet ne peut renvoyer que ce qu'il reçoit. »

Phrase de conclusion

La lumière jaune ne contenant pas de bleu et le tissu bleu ne diffusant que le bleu, aucune lumière n'est renvoyée : le tissu paraît NOIR.

Le piège : Répondre « bleu foncé » ou « bleu terne ». La réponse attendue est NOIR : ce n'est pas une question d'intensité, mais d'absence totale de lumière renvoyée.

Barème : En général 1 point pour la décomposition de la lumière, 1 point pour ce que l'objet diffuse, 1 point pour la conclusion justifiée.

Calculer une vergence et choisir une correction

Quand l'utiliser : L'énoncé donne une distance focale, ou décrit un défaut de l'œil et demande la lentille corrective.

  1. 1 Convertir la distance focale en MÈTRES et l'écrire : « f′=25f'=25 cm =0,25=0{,}25 m. »
  2. 2 Écrire la formule avant les nombres : « C=1f′C=\frac{1}{f'}. »
  3. 3 Calculer avec l'unité : « C=10,25=4C=\frac{1}{0{,}25}=4 dioptries. »
  4. 4 Pour une correction, dire d'abord ce qui ne va pas : « L'œil myope est trop convergent, l'image se forme avant la rétine. »
  5. 5 En déduire le type de lentille et le SIGNE : « Il faut donc une lentille divergente, de vergence négative, par exemple −2-2 dioptries. »

Phrase de conclusion

Une lentille de distance focale f′=0,25f'=0{,}25 m a une vergence C=10,25=4C=\frac{1}{0{,}25}=4 dioptries; l'œil myope, trop convergent, se corrige au contraire par une lentille divergente de vergence négative.

Le piège : Diviser par la focale en centimètres. Le résultat est cent fois trop petit, et il ne ressemble à aucune valeur de lunettes réelle, qui vont en pratique de −8-8 à +8+8 dioptries.

Barème : 1 point pour la conversion en mètres, 1 point pour le calcul avec l'unité, 1 point pour le type de lentille et son signe.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Une vitrine éclairée en lumière jaune, puis filtrée

Une vitrine contient quatre tissus : un rouge, un bleu, un blanc et un noir. Elle est éclairée par une lampe qui produit une lumière JAUNE.

1. Donner la couleur apparente de chaque tissu.

2. On place ensuite un filtre MAGENTA devant la lampe. Reprendre la question.

On rappelle que le jaune est composé de rouge et de vert, et le magenta de rouge et de bleu.

Étape 1

La lumière jaune contient du ROUGE et du VERT, et aucun bleu.

Pourquoi

Décomposer l'éclairage est toujours la première ligne. Tant qu'elle n'est pas écrite, aucun raisonnement sur les tissus n'est possible, et c'est le premier point du barème.

Étape 2

Tissu ROUGE : il diffuse le rouge, qui est présent dans l'éclairage. Il paraît donc ROUGE.

Pourquoi

On croise deux listes : ce que la lumière apporte et ce que le tissu diffuse. Ici l'intersection contient le rouge, donc quelque chose repart vers l'œil.

Étape 3

Tissu BLEU : il ne diffuse que le bleu, absent de l'éclairage. Rien n'est renvoyé, il paraît NOIR.

Pourquoi

C'est le cas que les copies ratent : la réponse n'est pas « bleu foncé » mais NOIR, parce qu'il n'y a rien à renvoyer, pas parce que c'est peu éclairé.

Étape 4

Tissu BLANC : il diffuse toutes les couleurs qu'il reçoit, donc rouge et vert. Il paraît JAUNE. Tissu NOIR : il absorbe tout, il reste NOIR.

Pourquoi

Le blanc prend la couleur de son éclairage et le noir n'en prend aucune : ce sont les deux cas limites, et ils se traitent en une ligne chacun.

Étape 5

Avec le filtre magenta : le filtre laisse passer le rouge et le bleu. La lumière jaune apporte rouge et vert. Ce qui traverse est donc le ROUGE seul.

Pourquoi

Un filtre se traite par INTERSECTION, jamais par addition. Écrire les deux listes côte à côte rend l'intersection évidente et évite l'erreur la plus fréquente du chapitre.

Étape 6

Sous cette lumière rouge : le tissu rouge paraît ROUGE, le tissu bleu NOIR, le tissu blanc ROUGE, le tissu noir NOIR.

Pourquoi

Le blanc change de réponse entre les deux questions, ce qui montre que la couleur perçue n'appartient pas à l'objet. C'est exactement ce que l'exercice cherche à faire comprendre.

Étape 7

Contrôle : aucune réponse ne contient de vert ni de bleu, ce qui est cohérent puisque la lumière finale ne contient que du rouge.

Pourquoi

Cette vérification en cinq secondes attrape toute couleur inventée en cours de raisonnement, et c'est la seule qui soit vraiment mécanique dans ce chapitre.

Conclusion rédigée

Sous la lumière jaune, les tissus paraissent respectivement rouge, noir, jaune et noir. Avec le filtre magenta, la lumière devient rouge et ils paraissent rouge, noir, rouge et noir.

L'erreur classique sur cet exercice : Écrire que le magenta s'ajoute au jaune et que la lumière devient blanche. Un filtre ne s'ajoute jamais à une lumière, il en retire : il ne reste ici que le rouge, seule couleur présente à la fois dans le jaune et dans le magenta.

À savoir par cœur

  • • Le prisme SÉPARE les couleurs de la lumière blanche, il n'en crée aucune.
  • • Primaires des LUMIÈRES : rouge, vert, bleu. Rouge plus vert donne jaune, rouge plus bleu magenta, vert plus bleu cyan.
  • • Un filtre TRANSMET sa couleur et ABSORBE les autres : deux filtres en série donnent l'INTERSECTION.
  • • Un objet ne peut renvoyer que ce qu'il RECOIT : sans la bonne couleur dans l'éclairage, il paraît noir.
  • • Le blanc prend la couleur de son éclairage; le noir absorbe tout et reste noir.
  • • C=1f′C=\frac{1}{f'} en dioptries, avec f′f' en MÈTRES : 2525 cm donnent 44 dioptries.
  • • Œil myope : trop convergent, corrigé par une lentille DIVERGENTE, de vergence négative.
  • • Raies d'absorption et raies d'émission d'un même gaz sont aux MÊMES positions.

Questions fréquentes

Que voit-on à travers un filtre jaune puis un filtre cyan ?

Du vert. Le filtre jaune ne laisse passer que le rouge et le vert, le filtre cyan que le vert et le bleu : seule la couleur commune aux deux listes traverse les deux filtres. Un filtre retire toujours, il n'ajoute jamais, donc la règle de la synthèse additive ne s'applique pas ici.

De quelle couleur paraît un objet bleu sous une lumière jaune ?

Noir. La lumière jaune est composée de rouge et de vert, elle ne contient aucun bleu. Le tissu bleu ne diffuse que le bleu, il n'a donc rien à renvoyer vers l'œil. La réponse n'est pas bleu foncé mais bien noir, car aucune lumière ne repart de l'objet.

Comment calculer la vergence d'une lentille ?

On prend l'inverse de la distance focale exprimée en mètres. Une lentille de vingt-cinq centimètres de focale a donc une vergence de un divisé par zéro virgule vingt-cinq, soit quatre dioptries. Utiliser les centimètres donne un résultat cent fois trop petit, sans rapport avec les valeurs réelles de lunettes.

Quelle lentille corrige la myopie ?

Une lentille divergente, de vergence négative. L'œil myope est trop convergent : l'image se forme avant la rétine au lieu de se former dessus. Il faut donc lui retirer de la convergence. L'œil hypermétrope, à l'inverse, n'est pas assez convergent et se corrige par une lentille convergente, de vergence positive.

Comment sait-on de quoi une étoile est composée ?

Par son spectre. La surface chaude et dense de l'étoile donne un spectre continu, et son atmosphère, plus froide, absorbe certaines couleurs et laisse des raies noires. Ces raies se trouvent exactement aux mêmes positions que les raies d'émission des mêmes gaz mesurées en laboratoire, ce qui permet d'identifier les éléments présents.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Lumière, couleurs et spectres

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 15 exercices corrigés
  • 150 points
  • 195 minutes
Faire les exercices
Fiche précédente Poids, gravitation et signaux

Ce chapitre resservira dans

Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

Ondes et signauxSecondeVision et image : lentilles et réfractionSeconde

Voir aussi

Toutes les fiches Tous les exercices Poids, gravitation et signaux (Troisième)Mouvement, vitesse et lumière (Quatrième)Les signaux sonores (Quatrième)Brevet blanc de physique-chimieProgramme de TroisièmePréparation au brevet

Vous cherchez un tuteur en physique-chimie de Troisième à Montréal ?

Contactez-moi pour une première séance. On travaille la lumière et les couleurs au niveau réel du brevet, des filtres colorés jusqu'à la lecture d'un spectre stellaire.

Me contacter WhatsApp
Site par Studio Squalli