Lumière = rayonnement électromagnétique visible.

La lumière suit un trajet rectiligne si le milieu est homogène.

Un milieu homogène est un milieu qui a partout les mêmes propriétés.

 

Rencontre entre lumière et matière

On constate différents phénomènes :

 

 

Ces phénomènes, généralement, coexistent, dans des proportions variables. Les objets transparents sont ceux pour lesquels la transmission est prépondérante.

 

I/ Emission et réception de la lumière

    Les sources de lumière

Un source est un dispositif ou un objet qui produit de la lumière.

On distingue sources primaires et sources secondaires

 

■ Les sources primaires

Elles produisent de la lumière par elles-mêmes. Emission qui est possible car il y a transformation d’une énergie (chimique ou électrique ou biochimique ou nucléaire) en énergie lumineuse.

2 sources primaires :

-          Les sources incandescentes : corps portés à des températures très élevées. Un rayonnement est émis parce que l’objet est chaud.

-          Les sources luminescentes : produisent de la lumière sans élévation de la température. Le rayonnement provient de transformations qui ont lieu à l’intérieur des atomes.

■ Les sources secondaires

Objets dont la surface éclairée renvoie dans toutes les directions, une partie de la lumière qu’elle reçoit d’une source.

Généralement, tous les objets visibles (qui ne sont pas des sources primaires) sont des sources secondaires de lumière. C’est par la diffusion de la lumière que les objets nous sont visibles.

 

La diffusion de la lumière

Dans un milieu homogène la lumière suit une trajectoire rectiligne.

Le ciel bleu

La diffusion de la lumière solaire est assurée par les molécules de l’atmosphère. Cette diffusion privilégie la couleur bleue par rapport aux autres couleurs. La Terre apparaît donc bleutée, cela explique pourquoi vu depuis le Soleil par une journée ensoleillée, le ciel est bleu.

 

En traversant le vide spatial la lumière émise par le Soleil ne rencontre pas de particules matérielles : elle n’est pas diffusée (ciel noir)

 

Les récepteurs de la lumière

Les récepteurs de lumière sont des dispositifs sensibles à la lumière qu’ils reçoivent.

 

Les couleurs des objets

Si les feuilles sont vertes c’est parce qu’elles absorbent toutes les couleurs de la lumière blanche sauf une : la verte. Elles diffusent le vert.

Un objet noir absorbe toutes les couleurs de la lumière blanche. Un objet blanc diffuse toutes les couleurs.

II/ Propagation de la lumière

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène. Le chemin de la lumière est un rayon lumineux, plusieurs rayons forment un faisceau.

La lumière est un phénomène ondulatoire. Contrairement au son, la lumière n’a pas besoin de milieu matériel pour se propager. La vibration lumineuse se propage dans l’air et le vide.

La vibration lumineuse transporte de l’énergie lumineuse.

 

Vitesse de propagation :

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle notée célérité (près de 300 millions de mètres / seconde).
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est la plus grande vitesse connue pour transmettre une information. C’est une vitesse que ne peut atteindre aucune particule matérielle.

 

La vitesse de la lumière dépend du milieu qu’elle traverse.

 

L’année-lumière : les distances entre les différents objets de l’Univers sont très grandes, on utilise en astronomie, des unités adaptées.

L’année-lumière est la distance parcourue par un signal lumineux dans le vide pendant une durée d’une année.

 

III/ Réflexion et réfraction de la lumière

 

■ Réflexion

Phénomène de retour d’une onde lorsqu’elle rencontre une surface. Lorsque la lumière se propage dans un milieu et rencontre un milieu différent, une partie de l’énergie passe dans le deuxième milieu et une autre partie est réfléchie.

 

■ Réfraction

La réfraction se définit comme le changement de direction de la lumière qui passe d’un milieu à l’autre. La lumière dévie parce qu’elle change de vitesse en traversant la surface de contact entre les deux milieux de masses volumiques différentes.

 

IV/ Spectre de la lumière

On obtient un spectre de la lumière blanche en projetant un faisceau de lumière solaire sur un prisme en verre. Le prisme disperse la lumière qui se décompose alors en bandes de lumière colorée réparties en sept couleurs : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

 

La formation d’un arc-en-ciel est du à la réfraction de la lumière solaire par des gouttes de pluie. Les gouttes de pluie agissent comme des prismes.

 

VI/ Ombres et lumière

Comme la lumière se propage en ligne droite, elle crée une ombre quand elle rencontre un obstacle. Si la source lumineuse est très petite, l’ombre portée a des contours très nets. Si elle est grande, l’ombre portée a des contours flous. La zone entre l’ombre portée et la lumière s’appelle la pénombre. Cette zone ne reçoit qu’une partie de la lumière de la source.

 

Lors d’une éclipse de soleil, l’ombre de la lune est projetée sur la Terre. Les personnes dans l’ombre portée sont dans l’obscurité totale, ceux qui se trouvent dans la pénombre connaissent une éclipse partielle.

 

Liens: Schéma Lumière

           Ombre et pénombre

 I/ Définition de l’énergie

 

Energie = capacité d’un système à produire un travail. Pour le physicien, la notion d’énergie se présente comme un capital que possède un système et qui peut avoir plusieurs formes. Elle peut être transférée vers un autre système suivant différents modes. L’énergie est une grandeur physique qui se mesure en joule.

 

L’utilisation d’une source d’énergie est nécessaire pour chauffer, éclairer, mettre en mouvement. Il existe différentes sources d’énergie utilisable. Certaines sources se renouvellent : énergie solaire, énergie éolienne, énergie hydro-électrique, énergie marémotrice.

 

Quand une source d’énergie est utilisée pour produire un effet, son capital diminue.

Au cours des transformations l’énergie se conserve : les pertes d’énergie correspondent à des transformations et pas à des disparitions.

 

La production d’énergie présente des inconvénients pour l’environnement.

 

 

 

 

L’énergie primaire est disponible directement dans la nature avant toute transformation.

 

Une énergie est dite renouvelable quand sur une centaine d’années on n’en consomme pas plus que la nature n’en produit. Les énergies renouvelables proviennent directement ou indirectement de l’énergie solaire.

 

II/ Les formes d’énergie

● Energie chimique

Exemple : combustion d’un mélange pétrole – air

Le pétrole et l’oxygène disparaissent et forment du CO2 et de l’eau par réaction chimique. La combustion dégage de l’énergie. Le mélange pétrole – air contient de l’énergie chimique.

 

● Energie nucléaire

Exemple : fission d’un noyau d’uranium

Lors de la fission, de l’énergie est récupérée sous forme de chaleur. L’uranium possède de l’énergie nucléaire.

 

● Energie mécanique

Un corps en mouvement possède de l’énergie. C’est l’énergie cinétique, elle dépend de la masse (quantité de matière) du corps et de sa vitesse.

Exemple : un cycliste qui pédale.

 

De l’eau tombe d’un barrage et entraîne un ensemble turbine – alternateur dans une usine hydro-électrique. Pour l’eau qui tombe, l’énergie potentielle dépend de la quantité d’eau, du lieu de la chute.

 

Energie mécanique d’un corps = énergie cinétique + énergie potentielle.

 

● Energie thermique

Exemple : de l’eau qui circule dans un radiateur possède de l’énergie. Elle chauffe l’air en se refroidissant, elle possède de l’énergie thermique.

 

● Energie électrique

Un courant électrique que circule dans un récepteur possède de l’énergie.

L’énergie électrique ne peut pas être stockée directement contrairement aux autres formes d’énergie, elle doit être produite et transportée avant d’être utilisée. Elle dépend de la tension aux bornes du récepteur, du courant qui le traverse et du temps pendant lequel le récepteur fonctionne.

 

III/ Transfert et conservation d’énergie

 

Un transfert d’énergie c’est un changement de forme entre deux systèmes : chaleur, rayonnement ou travail.

 

Chaleur

La combustion du gaz butane avec l’air : le gaz perd une partie de son énergie sous forme de chaleur, cette partie est transférée par exemple à une casserole qui contient de l’eau, le système casserole – eau a son énergie qui augmente, cela se traduit par l’élévation de la température et l’ébullition de l’eau.

 

Il y a transfert sous forme de chaleur quand il y a un contact entre deux corps de températures différentes.

 

Rayonnement

Par exemple : l’énergie qui provient du Soleil peut chauffer de l’eau dans une bouteille.

Ce mode de transfert intervient quand on est en présence d’ondes électromagnétique (ondes, radars, rayonnement infrarouge, rayonnement ultraviolets…)

C’est un transfert qui peut se faire sur de très longues distances et aussi dans le vide.

 

Travail

C’est un transfert qui se produit quand une force agit sur un système qui se déplace.

 

Ce qui est important ce n’est pas la quantité d’énergie dont on dispose, c’est la puissance (= débit d’énergie), le nombre de joules transférées par unité de temps. La puissance se mesure en watts.

 

La conservation d’énergie

C’est un principe qui affirme que la diminution de la quantité d’énergie contenue dans le système de départ est égale à l’augmentation de la quantité d’énergie contenue dans le système d’arrivée.

 

IV/ Produire de l’énergie

 

La production d’énergie consiste le plus souvent en la transformation d’énergie primaire en énergie finale avec passage ou non par l’énergie secondaire. Cette transformation ou ces transformations forment la chaîne énergétique.

 

 

 

 

Il est intéressant de savoir quel pourcentage de l’énergie de départ est récupéré après conversion : c’est le rendement de la conversion. La quantité totale d’énergie ne varie pas quand l’énergie change de forme, mais une partie de l’énergie se transforme en chaleur, le plus souvent perdue pour l’utilisateur.

 

L’électricité est un mode de transport de l’énergie intéressant pour plusieurs raisons :

-          transport instantané

-          énergie propre sur les lieux d’utilisation

-          puissance immédiatement disponible

-          l’énergie électrique est facilement convertible

 

 

 

Une centrale hydraulique

Fonctionnement

Utilise l’énergie fournie par une masse d’eau en mouvement. Pour produire de l’électricité, les vannes du barrage s’ouvrent, l’eau s’engouffre dans une conduite forée dans le barrage, sa vitesse augmente. A la sortie de la conduite l’eau fait tourner une turbine, la turbine entraîne un alternateur, l’eau est ensuite libérée au pied du barrage et reprend le cours normal de la rivière.

Energie potentielle → Energie cinétique → Energie électrique

 

D’autres types de centrales existent :

Les centrales thermiques : elles utilisent un courant de vapeur.

Les centrales nucléaires : la chaleur est fournie par une réaction nucléaire (fission de l’uranium).

Les centrales solaires : la chaleur est fournie directement par le rayonnement solaire.

Energie potentielle → Energie cinétique → Energie électrique

 

Les piles et les accumulateurs transforment l’énergie chimique en énergie électrique.

Les photopiles transforment l’énergie solaire directement en énergie électrique.

 

L’énergie électrique est toujours créée à partir d’une autre forme d’énergie, c’est une source d’énergie secondaire.

 

Les usages de l’électricité sont variés, on peut les regrouper selon 3 types de conversion :

-          Energie mécanique (moteur)

-          Energie thermique (résistance)

-          Energie rayonnante (lampe, tube cathodique)

 

Pour comparer entre elles les différentes sources d’énergie on les rapporte à l’énergie que l’on peut obtenir avec une tonne de pétrole : les consommations sont évaluées en tonnes équivalent pétrole (T.E.P)

 

 Télécharger « schéma énergie.pdf »

I/ Etats physiques

La matière connaît 3 états : liquide, solide et gazeux.

Les solides ont une forme propre.

Les liquides s’écoulent et adoptent au repos la forme des récipients qui les contiennent, leur surface libre est alors horizontale.

Les gaz coulent et prennent la forme des récipients qui les contiennent, ils occupent la totalité du volume.

 

Dans un solide, les particules sont liées les unes aux autres. Elles forment un ensemble ordonné et condensé. Les particules ne peuvent pas se déplacer les unes par rapport aux autres.

 

Dans un liquide, les particules restent proches mais peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. C’est pourquoi un liquide peut couler et prendre la forme du récipient qui le contient.

Un liquide est caractérisé par sa fluidité (capacité d’écoulement), aucune forme propre et une faible compressibilité.

 

Dans un gaz, les particules forment un ensemble dispersé et désordonné. Elles sont très éloignées les unes par rapport aux autres et sont animées de mouvements incessants en tous sens. C’est pour cela que les gaz sont compressibles et occupent tout le volume qui leur est offert et n’ont pas de forme propre.

En fonction des conditions de température et de pression un corps peut changer d’état physique. Les changements d’état sont des phénomènes physiques réversibles.

 

Solide	Indéformable à température ambiante, les forces intermoléculaires sont fortes et maintiennent les atomes ensemble.
Liquide	Les forces intermoléculaires sont plus faibles et les molécules peuvent glisser les unes sur les autres.
Gaz	Les molécules sont dispersées et désordonnées

 

La masse ne change pas lors d’un changement d’état, mais le volume varie en général (il diminue). Cas exceptionnel : l’eau, dont le volume augmente quand elle gèle.

Les transformations d’états

 

II/ L’eau

L’eau existe sous 3 états : glace, eau liquide et vapeur d’eau.

 

L’eau gèle ou reste solide lorsqu’elle est portée à une température inférieure à 0°C

La glace fond ou reste liquide lorsqu’elle est portée à une température supérieure à 0°C

La masse se conserve au cours de cette transformation.

 

Ces caractéristiques concernent l’eau comme corps pur.

Par exemple, de l’eau salée ne gèle pas à 0°C, c’est pour cette raison que l’on jette du sel sur les routes en hiver. Elle ne bout pas à 100°C.

 

L’ébullition

Elle a lieu au sein du liquide. Si elle se prolonge le niveau de l’eau baisse, l’eau manquante s’est transformée en vapeur d’eau (gaz). Pendant toute la durée de l’ébullition la température du liquide est constante, mais si la pression atmosphérique augmente, la température d’ébullition s’accroît.

 

Plus la pression atmosphérique est faible, plus la température d’ébullition s’abaisse.

Donc : la température d’ébullition est liée à la pression atmosphérique.

 

L’évaporation

Transformation d’un liquide en vapeur par sa surface.

Elle est d’autant plus rapide que la surface libre du liquide est grande, que la température est élevée et que la pression atmosphérique est basse. La conséquence principale du phénomène d’évaporation est l’abaissement global de la température du liquide qui s’évapore.

 

La condensation

La vapeur d’eau peut se condenser à l’état liquide sous forme de buée ou de brouillard.

 

La condensation en altitude donne les nuages.

 

Caractéristiques de la condensation

La masse de la vapeur d’eau = la masse de l’eau liquide

Le volume de la vapeur d’eau est supérieur au volume de l’eau liquide

 

La sublimation

Parfois l’eau à l’état solide passe directement à l’état gazeux : c’est la sublimation. La transformation inverse est la condensation.

 

Le cycle de l’eau

La chaleur du Soleil provoque l’évaporation de l’eau en surface, celle-ci se condense dans la haute atmosphère, puis refroidie, et retombe sous forme de pluie : c’est le cycle de l’eau (cycle hydrologique)

 

Une autre caractéristique de l’eau : c’est un solvant.

Elle peut dissoudre des solides (sucre, sel de cuisine), des liquides (alcool, vinaigre), des gaz (CO2, dioxyde de soufre)

 

Mélanges et solutions

 

■ Solution = mélange homogène d’au moins 2 substances

■ Solvant = substance présente en plus grande quantité

■ Soluté = substance dissoute

 

Deux substances sont solubles l’une dans l’autre dans certaines proportions (degré de solubilité), au delà, la solution est saturée.

 

On parle d’émulsion si les 2 substances sont solubles l’une dans l’autre de façon homogène et de mélange dans le cas contraire. Dans le cas d’un mélange hétérogène, on voit des substances en suspension ou en dépôt, on peut les récupérer par filtration ou par décantation pour un dépôt, et par évaporation pour une suspension.

  Décantation

     Filtration

  Distillation

La qualité de l’eau

Pour rendre potable une eau naturelle il faut la traiter. L’eau se pollue quand elle circule à la surface du sol, elle se charge de matières en suspension ou en solution. Les eaux de surface passent d’abord à travers une grille et un tamis qui vont retenir les matériaux les plus gros. On ajoute une substance qui provoque la floculation et permet de déposer les particules les plus fines en permettant leur réunion. Après l’eau est décantée dans des bassins, et ensuite elle est filtrée : elle traverse des couches de graviers, puis des sables de plus en plus fins. Enfin, il y a un traitement désinfectant à l’aide de produits chimiques (chlore, ozone).

Les eaux souterraines ont déjà été filtrées par les terrains. On se contente de les traiter chimiquement.

 

Selon les substances qu’elles contiennent, les eaux subissent d’autres traitements : trop de sels de calcium, on les traite à la chaux ; trop de sels de fer, on procède à une déferrisation.

 

Les eaux usées

Circuit de traitement :

Egouts – grille qui retient les plus gros déchets – eaux tamisées, dessablées, dégraissées puis première décantation. Les eaux sont agitées et oxygénées dans des bassins d’aération, traitement qui va favoriser la multiplication des micro-organismes qui vont décomposer les matières organiques contenues dans l’eau. Une dernière décantation va clarifier l’eau avant qu’elle soit rejetée dans le fleuve.

Les boues sont récupérées et transportées par pompage dans des digesteurs où elles vont fermenter et se transformer en humus pour l’agriculture.

 

III/ L’air

La Terre est entourée d’une couche d’air : l’atmosphère.

La pression atmosphérique varie avec l’altitude, le lieu, l’instant. La connaissance de la pression atmosphérique et de ses variations participe à la prévision du temps qu’il fera.

 

L’atmosphère joue un rôle important pour l’équilibre thermique de la Terre : le jour l’atmosphère réfléchit et absorbe plus de la moitié du rayonnement solaire en évitant les températures trop fortes, et la nuit elle empêche la chaleur reçue de repartir vers l’espace.

 

Le vent

Le vent est un déplacement d’air des hautes pressions vers les basses pressions. La vitesse du vent est mesurée par un anémomètre.

Le vent est de l’air en mouvement. Le vent est donc produit par les différences de pression atmosphérique engendrées principalement par les différences de température. Les variations dans la distribution des pressions et des températures sont dues à une inégale distribution de l’énergie solaire et aux différences de propriétés thermiques des surfaces des continents et des océans.

 

 

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