Les lois de l'optique

La formation des ombres
Auteurs : Romain Maronnier(plus d'infos)
Résumé :
Une des conséquences de la propagation rectiligne de la lumière est la formation des ombres.
Publication : 30 Juin 1999

Une des conséquences de la propagation rectiligne de la lumière est la formation des ombres.

Faisons l'expérience suivante : on éclaire une balle de tennis avec une source lumineuse dite ponctuelle. Une source parfaitement ponctuelle n'existant pas dans la nature, on utilise une simple ampoule de lampe de poche. Le filament de l'ampoule étant très fin et très petit, on peut considérer que cette source est ponctuelle.

Si on se place derrière la balle, dans la zone où la lumière issue de l'ampoule n'arrive pas, on ne voit pas l'ampoule. Toute cette zone située derrière la balle, est appelée zone d'ombre ou encore ombre propre. La balle empêche la lumière issue de l'ampoule d'y parvenir. Sur l'écran, on voit une tâche sombre que l'on appelle ombre portée de la balle (car elle est "portée" par l'écran). Entre la balle et l'écran, on localise une zone de l'espace où ne pénètrent pas les rayons lumineux issus de l'ampoule. Dans le cas présent, du fait de la forme ronde de la balle, ce volume de l'espace est particulier : c'est un cône d'ombre. Si on avait placé un objet de forme quelconque à la place de la balle, le volume d'ombre aurait été aussi quelconque.

Lorsque la source de lumière est étendue, ce qui est quasiment toujours le cas (Soleil, réverbères, etc...), il apparaît sur l'écran une zone frontière entre la partie éclairée et la partie dans l'ombre : c'est la pénombre. L'oeil ne peut distinguer la ligne qui sépare ombre et pénombre. Si on se place dans la zone de pénombre et que l'on regarde dans la direction de la source, on voit une partie de la source étendue (faites l'expérience!).

""

 

Pour obtenir graphiquement les zones d'ombre et de pénombre, il suffit de tracer des droites entre les points extrêmes de l'ampoule et les points de l'objet (cf figure). Aucune droite quittant un point de l'ampoule ne peut atteindre la zone d'ombre puisqu'il y a entre les deux l'objet. De la même façon, vous ne verrez un objet éclairé que s'il existe une droite qui va de l'objet à votre oeil sans rencontrer d'obstacles : mettez-vous sous une table et vous ne verrez pas les objets se trouvant dessus. En revanche, quelques rayons issus de la source atteignent la zone de pénombre. Si l'on place son oeil (récepteur) dans le cône d'ombre, celui-ci ne voit pas la source lumineuse.

Remplaçons l'ampoule de l'expérience par le Soleil, la balle de tennis par la Terre et introduisons un troisième acteur, la Lune. Si la Terre entre dans le cône d'ombre de la Lune ou réciproquement, il apparaît un phénomène bien connu : les éclipses.

La taille et l'orientation d'une ombre peuvent également nous renseigner sur la position de la source lumineuse. C'est ainsi que l'ombre d'un gnomon indique avec précision la course régulière du Soleil pendant la journée. C'est en utilisant ce concept que sont fabriqués les cadrans solaires.

Addons