Faire un coucher de soleil

Faire un coucher de soleil
Par , le (édité le 17/04/2015)

Ce qu'il te faut

  • Une lampe de bureau à incandescence (de préférence halogène)
  • Une loupe à fort grossissement
  • Une cuve à bords plats et transparents (longueur: 10 cm minimum)
  • Savon (solide) ou lait
  • Surface blanche pour servir d'écran (feuille, mur blanc...)
  • Petits supports pour régler les éléments du montage à la bonne hauteur
  • Facultatif : Un filtre polariseur

Introduction

Cette expérience permet de réaliser un coucher de soleil artificiel ainsi qu'un "ciel" bleu. C'est une illustration du phénomène de diffusion qui explique la couleur bleue du ciel.

Ciel bleu artificiel
Ciel bleu artificiel. Un faisceau de lumière blanche traverse une cuve dont le contenu diffuse la lumière. Observée hors de la direction du faisceau, la lumière diffusée apparait bleutée comme le ciel.

Expérience

Montage optique

Place-toi dans un endroit où tu peux travailler dans l'obscurité. Le montage à réaliser est le suivant:

Schéma du montage

Le but est de créer un faisceau de lumière parallèle (c'est-à-dire que tous les rayons qui constituent le faisceau doivent être parallèles). Celui-ci va traverser une cuve contenant des particules diffusant la lumière. Un écran est placé derrière la cuve pour mettre en évidence la lumière qui en sort.


Obtention d'un faisceau parallèle

Une ampoule émet de la lumière dans de nombreuses directions. Dans le cas d'une lampe à incandescence, les rayons partent tous d'un même point (ou presque un point), le filament, qui émet de la lumière en étant chauffé par le courant électrique qui le traverse. Utilise une ampoule dont le filament est visible (pas une ampoule dont le verre est blanchi).

Une loupe est une lentille convergente, et il est possible, en la plaçant à une distance particulière de la lampe, de rendre parallèle une partie de la lumière émise par le filament. Cette distance correspond à la longueur focale de la lentille, f.

Pour régler la distance entre la lentille et la lampe:

  • Place l'écran à au moins 50 cm de la lampe.

  • Place la lentille le plus près de la lampe.

  • Éloigne lentement la lentille de la lampe et observe l'écran. La distance entre la lampe et la lentille vaut (à peu près) f lorsqu'une image agrandie du filament brillant de la lampe se forme sur l'écran. f dépend de la lentille et vaut typiquement entre 3 et 10 cm pour des loupes usuelles.

    En déplaçant la lentille, vérifie qu'elle reste bien dans l'axe entre la lampe et l'écran, sinon, l'image du filament risque de se former à côté de l'écran.

  • Une fois que tu as trouvé la bonne position, utilise des supports pour maintenir la loupe en place.

Positionnement de la lentille
Positionnement de la lentille. La distance importante à respecter est notée f, et est obtenue lorsqu'une image du filament de la lampe apparait sur l'écran.
Lampe et loupe
En pratique, voilà à quoi ressemble le réglage de la position de la loupe.
Image du filament de la lampe
Image du filament de la lampe. Un rouleau d'essuie-tout fait office d'écran.

Préparation de la cuve

Crée un milieu diffusif dans la cuve:

  • Remplis le récipient d'eau.

  • Ajoute quelques gouttes de lait, ou fais comme si tu te lavais les mains dedans avec le savon pour "savonner" l'eau. L'eau doit devenir trouble, mais pas trop: il faut pouvoir distinguer des formes derrière la cuve, lorsque tu regardes à travers celle-ci dans le sens de la longueur.

  • Place la cuve entre la lentille et l'écran de manière à ce que le faisceau de lumière la traverse.

Montage
Montage final

Observations

Quand la cuve est insérée dans le montage, le chemin du faisceau apparait dans celle-ci (voir l'image de l'introduction). Lorsque le faisceau traverse le récipient, une partie de la lumière est diffusée dans toutes les directions par les particules microscopiques de lait ou de savon. Comme la lumière est réémise dans toutes les directions, et qu'elle peut être diffusée par plusieurs particules à la suite, c'est toute la cuve qui apparait illuminée. Cette lumière diffusée est légèrement bleutée, car les particules diffusent plus les rayons plutôt bleus que les rayons plutôt rouges qui constituent la lumière blanche.

Regarde maintenant l'écran. La couleur doit être orangée ou rouge. C'est la couleur de la lumière du faisceau qui n'a pas été diffusée et qui a continué à se propager en ligne droite dans la cuve. C'est un coucher de soleil. Si la lampe n'est pas trop puissante, tu peux d'ailleurs enlever l'écran et regarder la lampe à travers la cuve. C'est l'équivalent de regarder le soleil lorsqu'il se couche: das ce cas les rayons de soleil traversent une grande quantité d'air, et ce sont principalement les rayons qui n'ont pas été diffusés (les rouges) qui atteignent l'œil.

"Bleu de ciel" et "coucher de soleil"
"Bleu de ciel" (dans la cuve) et "coucher de soleil" (sur l'écran). La cuve est légèrement bleutée, comparée à l'écran qui est plutôt orange ou rouge.

Pour aller plus loin

Faisceau de couleur changeante

Tu peux varier la concentration en lait ou en savon dans la cuve et observer des changements. En particulier, tu devrais pouvoir trouver une concentration pour laquelle on voit le faisceau changer de couleur à l'intérieur de la cuve: bleuté au début de sa traversée, puis orangé vers la fin de la cuve. Peux-tu expliquer pourquoi?

Faisceau changeant de couleur dans la cuve
Faisceau changeant de couleur dans la cuve. Sur cette image, le faisceau entre par la gauche.

Polarisation de la lumière diffusée

Si tu as un filtre polariseur, observe le faisceau dans la cuve par le dessus, en plaçant le polariseur sur le chemin. Tourne le polariseur. Il existe une orientation de celui-ci pour laquelle le faisceau devient presque invisible. Cela signifie que la lumière diffusée par le milieu dans la cuve est quasiment entièrement polarisée. Reproduis la même procédure pour déterminer la polarisation possible des lumières suivantes:

  • Le "coucher de soleil" projeté sur l'écran (résultat: non polarisé, car tourner le polariseur ne permet pas de changer l'intensité lumineuse).

  • Le "coucher de soleil" vu en regardant la lampe à travers la cuve (résultat: non polarisé).

  • Regarde la lampe à travers la cuve, puis lève un peu la tête pour observer le faisceau traversant la cuve. Une telle observation du faisceau doit donner une lumière partiellement polarisée, c'est-à-dire qu l'intensité reçue par ton œil doit varier en tournant le polariseur, mais qu'il n'est pas possible de faire disparaitre le faisceau entièrement.

Polarisation de la lumière diffusée
En observant le faisceau de dessus, il est possible de le faire "disparaitre" avec un filtre polariseur orienté correctement (image de gauche). La lumière diffusée par les particules de la cuve est donc polarisée.

Observation de la cuve dans une lumière diffuse

L'expérience montre ce qu'il se passe quand on envoie dans la cuve des rayons parallèles. Si tu regardes la cuve avec un éclairage plus habituel où des faisceaux atteignent la cuve à partir de plein de directions différentes, celle-ci n'est plus bleue mais blanche. (C'est bien connu que lait ou l'eau savonneuse ne sont pas bleus.) Cela signifie que lors de l'expérience, la couleur bleutée ne venait pas d'un phénomène d'absorption de la lumière, qui est généralement le mécanisme qui donne une couleur aux objets en absorbant des rayons de certaines couleur et en rediffusant les autres. Ici, les rayons ne sont pas absorbés définitivement par les particules de la cuve: on peut imaginer l'interaction entre la lumière et les particules comme une absorption suivie d'une réémission immédiate dans une direction aléatoire.


Explication du phénomène

C'est détaillé sur cette page. La page concerne le cas du ciel, pour lequel ce sont principalement les molécules de gaz qui diffusent la lumière. Dans l'expérience ici, ce ne sont pas des molécules, mais des agrégats de molécules qui sont à l'origine de la diffusion. Cependant, le résultat obtenu est très similaire.