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Seconde · Physique-chimie · Ondes et signaux · Chapitre 15

Lumière : propagation, spectres et réfraction

Fiche de cours5 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Propagation rectiligne de la lumière

Définition. Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite : on la modélise par des rayons lumineux, droites fléchées dans le sens de propagation. C’est ce qui explique les ombres et les éclipses.

Propriété. Contrairement au son, la lumière se propage aussi dans le vide, à la vitesse

c=3,00×108 m⋅s−1d’ouˋΔt=dc(d en m, Δt en s).c={3{,}00\times10^{8}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}\qquad\text{d'où}\qquad \Delta t=\frac{d}{c}\quad (d\ \text{en ${\mathrm{m}}$},\ \Delta t\ \text{en ${\mathrm{s}}$}).

Définition. L’année-lumière (al) est la distance parcourue par la lumière dans le vide en un an : 1 al=9,46×1015 m{1\,\mathrm{al}}={9{,}46\times10^{15}\,\mathrm{m}}. Observer une étoile située à 250 al{250\,\mathrm{al}}, c’est la voir telle qu’elle était il y a 250 ans : regarder loin, c’est regarder dans le passé.

2Lumière blanche, longueur d’onde et spectres

Définition. Chaque radiation (lumière d’une seule couleur) est repérée par sa longueur d’onde λ\lambda, en nanomètres (1 nm=1×10−9 m{1\,\mathrm{nm}}={1\times10^{-9}\,\mathrm{m}}). Le domaine visible s’étend d’environ 400 nm{400\,\mathrm{nm}} (violet) à 800 nm{800\,\mathrm{nm}} (rouge). En dessous : ultraviolet ; au-dessus : infrarouge.

Définition. La lumière blanche contient toutes les radiations visibles. Un prisme (ou un réseau) la disperse : il sépare les radiations et donne un spectre.

Propriété — spectres d’émission. Un corps chaud (filament, étoile) donne un spectre continu : toutes les couleurs s’y trouvent. Il est d’autant plus riche en bleu et violet que le corps est chaud ; un corps plus froid donne un spectre dominé par le rouge. Un gaz excité à basse pression donne un spectre de raies : quelques raies colorées sur fond noir, dont les longueurs d’onde ne dépendent que de l’élément chimique. C’est sa « carte d’identité ».

Propriété — spectre d’absorption, complément hors programme. Un gaz froid traversé par de la lumière blanche absorbe exactement les radiations qu’il émettrait s’il était chaud : on obtient des raies noires sur fond coloré, aux mêmes longueurs d’onde. C’est ainsi qu’on identifie les éléments de l’atmosphère d’une étoile.

Figure 1 — Les trois types de spectres : celui d’un corps chaud, puis ceux d’un même gaz (ici l’hélium), chaud puis froid

3Réflexion et réfraction : lois de Snell-Descartes

Définition. La surface qui sépare deux milieux transparents est un dioptre. Le rayon incident l’atteint au point d’incidence I ; la normale est la droite perpendiculaire au dioptre en I. Tous les angles se mesurent par rapport à la normale, jamais par rapport au dioptre.

Propriété — première loi. Les rayons réfléchi et réfracté sont dans le plan d’incidence (défini par le rayon incident et la normale).

Propriété — deuxième loi. Réflexion : i1′=i1i_1'=i_1. Réfraction :

 n1sin⁡i1=n2sin⁡i2 \boxed{\,n_1\sin i_1=n_2\sin i_2\,}

où n1n_1 et n2n_2 sont les indices de réfraction des deux milieux : des nombres sans unité, toujours ⩾1\geq 1.

Figure 2 — Passage de l’air dans l’eau : i1=45∘i_1={45^{\circ}} donne i1′=45∘i_1'={45^{\circ}} et i2=32∘i_2={32^{\circ}} ; le rayon se rapproche de la normale

Propriété — sens de la déviation. Si n2>n1n_2>n_1 (on entre dans un milieu plus réfringent), le rayon se rapproche de la normale : i2<i1i_2<i_1. Si n2<n1n_2<n_1, il s’écarte de la normale. Sous incidence normale (i1=0i_1=0), le rayon n’est pas dévié.

Propriété — indice et vitesse. Dans un milieu d’indice nn, la lumière avance moins vite que dans le vide : v=cnv=\dfrac{c}{n}, donc n=cv⩾1n=\dfrac{c}{v}\geq 1. L’indice dépend légèrement de la longueur d’onde : c’est la cause de la dispersion de la lumière blanche par un prisme, le violet étant plus dévié que le rouge.

4Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire
  • Calculer une durée de parcours avec Δt=d/c\Delta t=d/c ; convertir une distance en années-lumière et interpréter.
  • Reconnaître un spectre continu ou un spectre de raies ; classer des corps chauds par température ; identifier un élément en comparant ses raies à celles de spectres de référence.
  • Placer sur un schéma le dioptre, le point d’incidence, la normale, et mesurer les angles par rapport à la normale.
  • Appliquer n1sin⁡i1=n2sin⁡i2n_1\sin i_1=n_2\sin i_2 dans les deux sens : calculer un angle réfracté ou un indice inconnu.
  • Prévoir si un rayon se rapproche ou s’écarte de la normale ; calculer la vitesse de la lumière dans un milieu.

5Exemples types

Exempledurées de parcours et années-lumière

Le Soleil est à d=1,50×1011 md={1{,}50\times10^{11}\,\mathrm{m}} de la Terre : Δt=1,50×10113,00×108=500 s\Delta t=\dfrac{1{,}50\times 10^{11}}{3{,}00\times 10^{8}}={500\,\mathrm{s}}, soit 8 min{8\,\mathrm{min}} 20 s{20\,\mathrm{s}}. L’étoile Proxima du Centaure est à 4,2 al{4{,}2\,\mathrm{al}}, soit d=4,2×9,46×1015=4,0×1016 md=4{,}2\times 9{,}46\times 10^{15}={4{,}0\times10^{16}\,\mathrm{m}}.

Exemplecalcul d’un angle de réfraction

Un rayon passe de l’air (n1=1,00n_1=1{,}00) dans le verre (n2=1,50n_2=1{,}50) avec i1=30∘i_1={30^{\circ}}. Alors sin⁡i2=n1sin⁡i1n2=1,00×0,5001,50=0,333\sin i_2=\dfrac{n_1\sin i_1}{n_2}=\dfrac{1{,}00\times 0{,}500}{1{,}50}=0{,}333, d’où i2=19∘i_2={19^{\circ}}. Comme n2>n1n_2>n_1, le rayon s’est bien rapproché de la normale.

Exempleindice inconnu et vitesse

Un rayon passe de l’air dans un liquide inconnu avec i1=45∘i_1={45^{\circ}} et s’y propage avec i2=32∘i_2={32^{\circ}}. Alors n2=n1sin⁡i1sin⁡i2=1,00×0,7070,530=1,33n_2=\dfrac{n_1\sin i_1}{\sin i_2}=\dfrac{1{,}00\times 0{,}707}{0{,}530}=1{,}33 : c’est de l’eau. La lumière y avance à v=cn=3,00×1081,33=2,26×108 m⋅s−1v=\dfrac{c}{n}=\dfrac{3{,}00\times 10^{8}}{1{,}33}={2{,}26\times10^{8}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}.

Pièges
  • Mesurer les angles par rapport au dioptre : ils se mesurent par rapport à la normale.
  • Écrire n1i1=n2i2n_1 i_1=n_2 i_2 : la loi porte sur les sinus des angles, pas sur les angles.
  • Oublier de repasser du sinus à l’angle avec la touche sin⁡−1\sin^{-1} (ou asin) de la calculatrice.
  • Confondre spectre de raies d’émission (raies colorées sur fond noir) et d’absorption (raies noires sur fond coloré) ; les longueurs d’onde, elles, sont les mêmes.
  • Croire qu’un corps chaud rouge est plus chaud qu’un corps bleu : c’est l’inverse.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

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Les bases : propagation, vitesse de la lumière, spectres, réflexion et réfraction

4 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3durée conseillée : 1 h 30calculatrice autorisée

  1. Propagation rectiligne et ombre portéeDifficulté 1 sur 3
  2. La lumière met du temps à voyagerDifficulté 1 sur 3
  3. Analyser des spectresDifficulté 1 sur 3
  4. Réflexion et réfraction à la surface de l’eauDifficulté 1 sur 3
2

Exercices d'application

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Applications : éclipse de Soleil, spectre d’une étoile, vitre d’aquarium, prisme

4 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 1 h 45calculatrice autorisée

  1. Éclipse de SoleilDifficulté 2 sur 3
  2. Que contient l’atmosphère d’une étoile ?Difficulté 2 sur 3
  3. Le laser traverse la vitre de l’aquariumDifficulté 2 sur 3
  4. Le prisme et l’arc-en-cielDifficulté 2 sur 3
3

Contrôle A

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Vitesse de la lumière, année-lumière, spectres, lois de Snell-Descartes

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions à choix multiples5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Comment le GPS mesure une distance5 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. La pièce au fond de la piscine6 ptsDifficulté 2 sur 3
  4. Quelle lampe éclaire la vitrine ?4 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Contrôle B

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Spectres et température, indice de réfraction, vitesse de la lumière dans un milieu

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Vrai ou faux ?4 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Le four du verrier6 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Le bloc de plexiglas6 ptsDifficulté 3 sur 3
  4. Un message pour Voyager 14 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Réflexion totale et fibre optique, méthode de Rømer, mirage, arc-en-ciel, loi de Wien, incertitudes

6 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 2 h 30calculatrice autorisée

  1. Réflexion totale et fibre optique (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  2. La méthode de Rømer (1676)Difficulté 3 sur 3
  3. Le mirage de la route chaudeDifficulté 3 sur 3
  4. L’arc-en-ciel (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  5. La loi de Wien (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  6. Combien vaut vraiment cet indice ?Difficulté 3 sur 3
6

Devoir bilan

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Lumière et son, spectres et atome, réfraction : chapitres 3, 14 et 15

Durée : 1 h 30calculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours et automatismes4 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Le coup de pistolet du starter6 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. L’hélium a d’abord été découvert dans le Soleil6 ptsDifficulté 2 sur 3
  4. Le hublot du bathyscaphe4 ptsDifficulté 2 sur 3

Seconde · Physique-chimie : les 17 chapitres

  1. Corps purs et mélanges
  2. Solutions aqueuses
  3. De l’atome à l’élément chimique
  4. Cortège électronique et tableau périodique
  5. Vers des entités plus stables : ions et molécules
  6. Quantité de matière : la mole
  7. Transformations physiques
  8. Transformations chimiques
  9. Synthèse d’une espèce chimique
  10. Transformations nucléaires
  11. Décrire un mouvement
  12. Modéliser une action : forces
  13. Principe d’inertie
  14. Émission et perception d’un son
  15. Lumière : propagation, spectres et réfraction
  16. Lentilles minces convergentes et modèle de l’œil
  17. Signaux et capteurs