Descriptif de ce qu`il est possible de faire comme

CESIRE Ouvert - Plate-forme Optique
CESIRE OUVERT – Plate-forme Optique
Thème « Lumière et couleurs » :
Spectroscopie,
vision et reproduction des couleurs,
éclairage.
Pour plus d’infos, voir http://physique-eea.ujf-grenoble.fr/AMPposter/
3 thèmes d’une heure environ, qui peuvent être vus successivement par un groupe d’une
dizaine d’élèves :
1) TP sur la projection de spectres (salle C117)
2) Démonstrations sur la vision et reproduction des couleurs (salle C114)
3) Démonstrations sur l’éclairage (salle C116)
N.B. Il est plus logique de voir le thème n°1 en premier, mais s’il y a 3 groupes qui suivent
ces 3 thèmes en parallèle, seul un groupe pourra suivre cet ordre. On adapte le discours pour
que les autres groupes puissent quand même s’en sortir.
1) Spectroscopie. TP fait par les élèves, encadré par un enseignant.
(on dispose de 7 tables pouvant accueillir 2-3 élèves maximum, idéalement 6 tables de 2).
Matériel sur chaque table : lampe halogène + mercure + condenseur + fente + lentille 200 mm + prisme à
vision directe + différents filtres (primaires et secondaires).
Vous trouverez sur votre table deux lampes : une lampe halogène et une lampe à vapeur de
mercure. Savez-vous comment fonctionnent ces lampes ? Allumez-les : quelle est la teinte de
la lumière émise ? Chez vous, pour vous éclairer, savez-vous quel type de lampe vous
utilisez ? Comment définit-on une « bonne lampe d’éclairage » ?
Utilisez la lampe halogène pour éclairer une fente fine, dont vous projetez l’image sur un
écran à l’aide d’une lentille. Soignez la qualité de l’image : elle doit être nette et lumineuse.
Ajouter alors le prisme juste derrière la lentille, centrez-le pour que la lumière rentre bien
dedans. Vous devez voir sur l’écran la décomposition de la lumière dans toutes ses
composantes colorées : c’est ce qu’on appelle le spectre. Toutes les couleurs de l’arc-en-ciel
sont-elles présentes ? Conclusion : comment définit-on une teinte blanche ?
Vous avez sur votre table quelques filtres colorés de différentes couleurs. Prenez-en un et
placez-le sur le trajet de la lumière. Comparez la teinte de la lumière transmise (retirez le
prisme) à son spectre (remettez le prisme) et commentez. Savez-vous comment votre œil
perçoit les couleurs ? Par exemple, vérifiez qu’un filtre jaune laisse passer aussi du rouge et
du vert et pourtant l’œil ne perçoit pas ces couleurs : pourquoi ?
Retirez le filtre. Remplacez la lampe halogène par la lampe à vapeur de mercure. De même,
observez son spectre sur l’écran et commentez : quelles différences observez-vous par rapport
à la lampe à incandescence ? Faites le lien avec la teinte de la lumière émise par la lampe.
Pensez-vous que cette lampe peut être utilisée pour l’éclairage ? Que faudrait-il faire pour
l’améliorer ?
Placez une feuille de papier au-delà de la zone violette du spectre (zone UV : non visible). Le
papier blanc contient des azurants optiques, substances dites fluorescentes, qui absorbent la
lumière UV pour la réémettre dans le bleu. Ceci permet d’obtenir un blanc plus éclatant, et
1
CESIRE Ouvert - Plate-forme Optique
pour nous, cela a l’avantage de mettre en évidence la lumière UV émise par le mercure. On va
voir bientôt à quoi peut servir cette lumière invisible.
Les ateliers suivants utilisent un outil plus performant : le spectromètre numérique. Celui-ci
fonctionne sur le même principe que celui que vous avez construit avec le prisme, mais il
comporte un capteur CCD (appareil photo numérique) qui permet de numériser le spectre
pour le voir sur un ordinateur.
2) Vision et reproduction des couleurs (C114). Démonstration faite par un enseignant.
Matériel installé : PC + spectro CCD, lampe halogène ponctuelle + montage projection de
spectre avec PVD + filtres RVB-CMJ, LED RVB, TV + mire + loupe, diode laser verte et
rouge ≃ de même puissance (puissance-mètre pour vérifier), disque mélange des couleurs
Docs à projeter : poster et planches test Vision (Daltonisme).
Qu’est-que qu’une couleur ? Une « teinte » ?
Décomposition de la lumière blanche : les couleurs de l’arc-en-ciel = couleurs « pures »
(parler un peu de longueur d’onde : couleur pure = 1 seule onde)
Recomposition : disque tournant → blanc
Il existe des couleurs hors de l’arc-en-ciel (exemple magenta) : = mélange d’ondes de
longueurs d’onde ≠, on devrait plutôt parler de « teinte »
Comment fonctionne un filtre coloré : absorbe certaines couleurs, transmet d’autres.
Exemple : filtre R absorbe tout sauf R donc transmet R (c’est ≃ le cas de tous les filtres
primaires de la synthèse + : RVB) mais filtre J transmet J mais aussi R+V ! (J = secondaire
de la synthèse +, primaire de la synthèse -) et pourtant on voit du jaune ! Comment est-ce
possible ? Voyons comment l’œil perçoit les couleurs …
Perception des couleurs par l’œil :
Rôle des bâtonnets (vision nocturne car sensible en faible luminosité, mais ne différentie pas
les couleurs : la nuit tous les chats sont gris !), des cônes (3 types : R + V + B donc
trichromie). On reprend l’exemple du filtre J : R+B donne la même impression à l’œil que J.
Daltonisme.
Synthèse additive = éclairage : On peut créer ≃ toutes les teintes par mélange de 3 lumières
de couleurs primaires R+V+B (synthèse additive car on ajoute des morceaux de spectre, pour
aller vers le blanc). Application : écran de TV (loupe, spectro CCD). Et en peinture ?
Synthèse soustractive = peinture : Les primaires sont CMJ (et non BRJ !) car synthèse
soustractive (on retire des morceaux de spectre, pour aller vers le noir). On part du blanc :
si on utilise une peinture M, elle absorbe le V et diffuse R+B
si on utilise une peinture J, elle absorbe le B et diffuse R+V
si on mélange deux peintures M et J, elles absorbent V+B, reste donc R
(+ orange si on met + de J que de M)
Attention : notre œil nous trompe :
Toutes les couleurs ne sont pas vues de la même façon par l’œil (et par toutes les espèces
vivantes). Exemple : on observe un faisceau laser R et V de même puissance (le puissancemètre nous dit 1 mW pour les 2), or notre œil a l’impression que le vert est nettement plus
intense (adaptation au spectre solaire : maximum d’émission dans le jaune/vert)
2
CESIRE Ouvert - Plate-forme Optique
Autre exemple : la lumière IR et UV nous sont invisibles, mais visibles par d’autres animaux.
Certains animaux ont + ou – de cônes que nous, sensibles dans des gammes parfois
différentes (adaptation en fonction du milieu et des besoins).
3) Eclairage (salle C116). Démonstration faite par un enseignant.
Matériel installé : PC + spectro CCD , lampe de bureau, lampe halogène + condenseur + autotransfo + grand
réseau + lampe mercure, lampe sodium + filtre UV + schweppes + fluoresceine + DEL RVB variable +
fluocompacte + objets de différentes couleur (pour éclairage Na), filtre UV et Schwepps.
Avec un spectromètre numérique, fonctionnant sur le principe de ce qui a été fait en TP (§.1),
on peut comparer plus facilement les spectres de différentes lampes d’éclairage courant :
lampe halogène, tube fluorescent, lampe fluocompacte (appelée aussi basse consommation),
LED blanche, lampe sodium.
Comment fonctionnent ces différentes lampes ? Quel est leur intérêt et dans quel cas les
utilise-t-on ? Pourquoi n’est-il pas bon de sous-alimenter une lampe halogène ? Pourquoi nous
conseille-t-on aujourd’hui d’utiliser chez nous des lampes fluocompactes plutôt que des
halogènes ? Pourquoi aujourd’hui les guirlandes de Noël et les lampes de poche sont-elles le
plus souvent équipées de LED et non plus d’ampoules à filament ? Pourquoi les lampes
sodium sont-elles réservées à l’éclairage urbain ? On va essayer de répondre à ces questions.
Qu'est un bon éclairage?
On veut un bon rendu des couleurs, il faut donc une lumière blanche.
Décomposition de la lumière blanche (halogène) : on obtient les couleurs de l’arc-en-ciel, on
remarque que le spectre est continu entre le rouge et le violet. On regarde directement la lumière
diffractée par le grand réseau.
Principe de fonctionnement des lampes à filament classiques et halogène.
Filament de tungstène chauffé à 2000 °C, évaporation du tungstène, salit la lampe et le fil fini par casser
Halogène : même principe + réaction chimique halogène avec atome de tungstène. Le tungstène ne va pas se
déposer sur l'ampoule mais va se redéposer sur le fil chaud de tungstène. Le fil durera plus longtemps. On peut
alors chauffer ce fil jusqu'à 3000 °C => la lumière est souvent plus blanche (moins rouge).
Un corps chaud émet de la lumière, plus il est chaud plus cette lumière est décalée vers le bleu.
Les rayonnements invisibles
l'IR ça chauffe, autre application : les jumelles IR des militaires.
l'UV : On parle d'abord des lampes à décharge et plus particulièrement de la lampe Hg, le
spectre est discret (ie discontinu), des raies vers 400 et 500 nm => lumière bleutée et pas
blanche.
Comment détecter l'UV à l'aide de la fluorescence.
Lampe Hg + filtre UV on ne voit rien, on met une cuve de Schweppes : belle lumière bleu, ou de la
fluoresceïne : belle lumière verte. Donc on peut utiliser l'UV pour créer de la couleur.
Comment améliorer la lampe Hg pour la transformer en éclairage correct => tube ''néon''.
Tube fluorescent : On vient d'inventer le tube fluo, on peut comparer avec le spectre de Hg
puis comparer avec le spectre d'une lampe basse consommation. Les spectres sont proches, le
principe est le même. J'en profite pour préciser que l'appellation tube ''néon'' est impropre.
Pourquoi basse conso : émission de rayonnement utile, c'est à dire dans le visible, pas d'UV et
pas d'IR. L'énergie utilisée sert presque entièrement à voir et pas à voir + chauffer la pièce.
Pour un même éclairage, une lampe basse conso (ou fluo compacte) consomme environ 6x
moins d'énergie qu'une lampe à incandescence.
3
CESIRE Ouvert - Plate-forme Optique
Attention : une lampe fluo compacte éclaire bien, consomme moins, chauffe peu mais il faut
penser à la recycler car elle contient du mercure, comme les tubes fluorescents.
Autres éclairages :
DEL (diode électroluminescentes)
Très répandues comme indicateur de veille des appareils électriques, on les a vus apparaître
dans le domaine des lampes de poche, et maintenant dans celui des éclairages de maison. La
technologie a avancé à petits pas. On a d'abord su faire du rouge, puis du vert et enfin du bleu
(RVB) maintenant nous avons les 3 couleurs primaires, il est possible de produire des sources
d'éclairage. Aujourd’hui on utilise souvent des LED violettes-UV associés à un élément
fluorescent pour faire du blanc, le système 3 couleurs RVB reste intéressant pour les
panneaux d’affichage où on a besoin de savoir générer toutes les couleurs.
Pas fragile, durée de vie longue, pas de fil qui ''pète'' mais une luminosité constante pendant
un certain temps puis une diminution lente ; encore un peu chère (20 € l’ampoule pour
éclairer une pièce de taille moyenne).
Eclairage urbain : la lampe à sodium
Une raie dans le jaune-orangé, la grande majorité du rayonnement émis est un rayonnement
utile pour l'oeil. Un inconvénient : le rendu des couleurs est très mauvais on place une série de
pochettes en carton très colorées devant le lampe, on ne reconnaît aucune couleur.
mais pour un éclairage urbain c'est sans importance !
4