Propriétés générales de la lumière

Quelles que soient la cause et les conjectures faites à son égard, la lumière jouit do certaines propriétés constatées par les faits et les expériences : nous allons les passer sommairement en revue :

1° La lumière se propage en ligne droite. On le prouve au moyen de deux plans disposés parallèlement, et qui laissent arriver la lumière, tant qu’ils ne sont pas en contact ; tandis que, si l’on les courbe, on cesse d’apercevoir la lumière longtemps avant la coïncidence ;

2» L'intensité de la lumière varie en raison inverse du carré de la distance. Pour se rendre compte de celte loi, il suffit de supposer un corps lumineux placé successivement au centre de plusieurs sphères creuses et opaques. Par ce moyen, tous les rayons lumineux seront employés à éclairer les différentes surfaces sphériqués.ll résulte évidemment de lh,que ces surfaces seront d’autant moins lumineuses qu’elles auront plus d'étendue; d’ailleurs, les' surfaces sont entre elles comme les carrés de leurs rayons respectifs. Ces rayons représentent les distances du foyer lumineux aux surfaces éclairées : donc l’intensité de la lumière, répandue sur un corps, est en raison inverse du carré de la distance ;

3° L'angle d’incidence est égal à l'angle de réflexion. Si un rayon lumineux rencontre une surface polie, sa direction change, il fait avec la normale à la surface un angle égal et symétrique à celui qu’il faisait avant d’atteindre le corps poli. La normale, le rayon incident et le rayon réfléchi, sont situés dans un mémo plan. Ce plan est d’ailleurs perpendiculaire à la surface réfléchissante , puisqu’il contient sa normale.

Pour s’assurer que les angles d’incidence et de réflexion sont égaux , on peut faire l’expérience suivante : on place près d'un

l'UUPHlËlÊÜ GÉNÉRALES DE 1.A LUMIÈRE.

miroir horizontal MM' (pg. 219), un instrument ACB propre à mesurer les angles : il est muni d'un niveau AB et d'une lunette EF : ce peut être l'éclimètrc adapté à une boussole. Après avoir placé le limbe de l’instrument vertical, on vise successivement un objet éloigné S ou S' , ainsi que son image S' ' réfléchie par le miroir, et l’on obtient ainsi un angle d'ascensionECA, et un angle de dépression ACD qui sont égaux : le premier est égal à SDM complément do l'angle d'incidence , car ils ont tous deux leurs côtés respectivement parallèles : l'autre angle ACD est égal à CDM' complément de l’angle de réflexion, puisque ce sont des angles alternes internes : donc les angles d’incidence et de réflexion, ayant des compléments égaux, sont égaux.

On désigne sous le nom de faisceau lumineux, l’assemblage des rayons parallèles qui viennent frapper la surface réfléchissante. L'expérience a prouvé que -jamais la totalité n’est réfléchie: qu’une partie des rayons" est absorbée par le corps lui-inême. et que celte portion est d'autant plus considérable, que l’angle d’incidence est plus petit. C'est donc lorsque la lumière frappe normalement que la perle est la plus grando. La proportion entre la lumière réfléchie et celle qui est absorbée, varie en raison de la nature du corps poli qu'elle a rencontré. Ce que nous signalons ici se constate journellement quand on porte scs regards sur la surface des eaux. Elles réfléchissent tous les objets environnants; mais les images les plus nettes sont celles des points les moins voisins do l'observateur. Cela lient b ce que, pour ceux-ci, une plus grande quantité de lumière réfléchie par eux vers la surface du liquide est employée à reproduire leurs images. La différence est la plus sensible, lorsque l'observateur, abaissant ses regards normalement, voit son imago beaucoup plus sombre que celles de tous les objets qui apparaissent plus ou moins obliquement. Quand l'eau est peu profonde, on aperçoit simultanément le fond sur lequel elle repose et les objets réfléchis par sa surface. Dans le premier cas, c’est la portion do lumière quiapénétré le liquide qui produit l’impression : ce sont les rayons brisés à la surface qui donnent lieu b la seconde.

V° Réfraction. La portion de lumière qui n'est pas réfléchie, est absorbée par le corps s'il est opaque, ou le traverse s'il est transparent: mais alors la direction du faisceau n’est plus la même que dans l’incidence ; l’angle de réfraction est plus petit ou plus grand que l'angle d'incidence, suivant que le corps transparent est plus ou moins dense que le milieu que traversait d'abord

la lumière. On prouve que le rapport des sinus de l'incidence et de la réfraction est constant pour deux milieux, quelle que soit d'ailleurs l’amplitude de l'incidence.

Soient » et «' ( fig . 220) le$ angles d'incidence et de réfraction d'un rayon RA rencontrant un corps transparent MM', mm', on a

sm. * __ç Cette constante C aété trouvée, par l’expérience, égale sm. a*

à J ou 1,333 pour l'air et l'eau, et \ ou 1,5 pour l'air et le verre. En supposant qu’un rayon lumineux soit parallèle à la surface de l'eau, l'angle d'incidence serait droit et son sinus égal 5 l’unité : de là résulte que sin. oft=r’=0,75. Son logarithmo 9.87506 correspond à un angle de 53', 99 ou plus simplement 54". Telle est donc la plus grande obliquité sous laquelle un rayon lumineux peut pénétrer dans l’eau. On trouve de la mémo manière, lorsqu’il s'agit du verre, qu'à *=rl00‘, correspond a'=46',40'. S'il s'agit d'un corps solide et transparent, terminé par deux plans parallèles, comme l’indique la fig. 220, il devient évident que la lumière, après l'avoir traversé, déviera de nouveau pour reprendre une direction parallèle à la première, si le milieu qui enveloppe lo

..... , . . , sin. a." sin. a'

corps MM mm est homogène, car on aura alors — ^

et parce que a’ et a" sont égaux , il s'ensuit que « =«".

Il résulte do ce qui précède que si la position d'un objet dans l’eau et les circonstances extérieures ne lui permettent pas d'envoyer à la surface du liquide, des rayons lumineux, sous un angle plus petit que 54*, cet objet ne sera pas visible au dehors. La lumière qu'il envoie sera réfléchie entièrement dans l’eau. Si le milieu est du verre, le fait est le môme, tant que les rayons venant de l’objet font, avec la normale, un angle compris entre 46*40 et 100*.

C'est à la réfraction qu'est due l'illusion qui trompe nos yeux, lorqu'un bâton plongé en partie et obliquement dans l'eau, nous paraît coudé au point de l’immersion.

Soient MM' et ABC (fig. 221), la surface du liquide et le bâton : considérons quelques-uns seulement des rayons do lumière qui de l’extrémité C arrivent à la surface en n et n' : ils s’écarteront de la normale en passant dans l'air, et prendront les nouvelles directions no,n'o'. Si l’œil de l'observateur est situé sur cette nouvelle direction, l'impression sera celle d’un point C' situé à leur rencontre. Les points intermédiaires à B et C produiront des effets analogues : ils seront relevés de manière à faire voir au

PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES lit LA LUMIÈRE.

lieu de BC, une ligne continue BC'. Quant à ceux qui sont placés de A en B, la marche des rayons lumineux qu'ils envoient en ligne droite vers l’œil, n’oiïre rien do particulier.

288. Mirage. Disons, en passant, quelques mois du phénomène connu sous le nom de mirage et dans lequel on est tenté d'expliquer parla réflexion, un effet qui est, en réalité, dû à la réfraction.

Soit MN une section dans la surface du sol, A un objet, O l'œil d'un observateur.

Les parallèles à MN tracées dans la fig. 37, planche XXI, audessus de celte ligne représentent les traces do plans fictifs assez rapprochés pour que l'on puisse, sans erreur sensible, considérer ta densité comme uniforme entre deux plans consécutifs.

En général, la densité de ces couches augmente à mesure qu’elles s'approchent de la terre, en raison do la pesanteur de l’air et conséquemment delà pression plus grande qu'elles exercent les unes sur les autres. De là résulte l'inflexion de la trajectoire lumineuse qui présente sa concavité au sol. Mais si, sous l'influence d'un soleil ardent, la terre vient à s’échauffer au delà do certaines limites, ello communique une partie de son excessive chaleur à la couche d’air en contact avec elle. Celte cause diminue, détruit ou mémo dépasse l’action de la pesanteur, de telle sorte, dans ce dernier cas, que la première couche devient moins dense que la seconde. Par le mémo motif, celle-ci peut perdre une partie de sa densité, de mémo de la troisième et ainsi de suite. On conçoit cependant qu’à une certaine hauteur ces influences partielles et successives disparaissent et qu’au delà les choses suivent la marche générale.

Supposons que l’Q soit la séparation des couches dont les unes augmentent et les autres diminuent de densité à mesure qu’clhs approchent de la terre.

Parmi tous les rayons lumineux qui émanent de A ou qui sunt réfléchis par lui, si nous considérons l’un de ceux qui viennent rencontrer la surface PQ, celui qui l’atteint en B, par exemple, il cesse, dés ce moment, d’affecter la même courbure qu'avant, puisqu'on traversant des couches dont la densité diminue, son inclinaison sur la normale augmente sans cesse, jusqu’au moment où, voisine de 100’, en G, la réfraction cesse, pour être1 remplacée par une réflexion totale. Le rayon lumineux rentrant alors, pendant sa marche inverse, dans des couches dont les densités augmentent, se recourbera symétriquement de G en O : s’il rencontre en ce point l'œil d'un observateur, celui-ci reçoit

l'impression de l'objet A, par la tangente au dernier élément de la courbe et croit lo voir en A(/. Il peut d’ailleurs apercevoir A directement aussi, en son lieu véritable ou, pour parler plus exactement, un peu plus bautcn A'. Donc celle double sensation simultanée produit le mémo effet qu’un objet et son imago réfléchie par une nappe d’eau.

L’illusion est d’autant plus complète que cette image est vue renversée. Cette dernière circonstance s'explique très facilement 38, planche XXI).

Le rayon efficace qui part do D rencontre la surfaco limite PQ, en C, plus promptement que celui do A, par la raison que I) est moins élevé que A. Il est d'ailleurs moins incliné à l’horizon: -

car, s’il lui était parallèle, il ne passerait pas au point O. Par ce double motif, le point de rebroussement H est placé, par rapport à G, ainsi que l’inüique la flguro , et enfin les tangentes aux deux rayons réfractés se trouvent situées de manière à faire voir renversée l'image D'AC

Il faut ajouter ici que le phénomène du mirage ne se manifeste que dans certaines conditions. Il ne produit pas l’image d'un objet, quelle que soit sa hauteur au-dessus de l'horizon. Sa position doit être telle que les rayons lumineux qui en émanent ou qu’il réfléchit, modifiés dans leur direction par l'accroissement de densité successif, h mesure qu’ils traversent des couches inférieures, arrivent à la limite où la réfraction cesse pour être remplacée par la réflexion. La marche du rayon arrivé à ce point désigné par G ou H dans les figures 37 et 38 ( planche XXII), devient symétrique ù ce qu’elle était avant de l’atteindre. -

5° Vitesse de la lumière. Elle a été conclue de l’observation de certains phénomènes astronomiques, et trouvée égale à 34,500,000 lieues en S' 13", ou 69,981 lieues par seconde : en sorte que nous devons regarder comme instantanée, la sensation de la lumière qui nous arrive des objets terrestres.

6* Composition de la lumière. Un rayon de lumière, quelque délié qu’il soit, peut toujours être décomposé en sept rayons principaux, diversement colorés. Celle décomposition, obtenue au t « moyen d’un prismè en verre (fig. 222), est due à ce qu’en y pénétrant, ils se séparent, animés qu’ils sont de réfrangibililés différentes. Cette propriété se nomme dispersion; se9 effets varient suivant la nature des milieux qui la produisent.

Quelle que soit l’explication qu’on en donne, les choses se pas-

RÉFLKXiON

sent comme si, de chaque point d'un corps, un rayon se propageant en ligne droite, venait frapper notre œil et y produirp la sensation de la vue de*ce point; et que, de plus, la nature du corps décomposât la lumière qu'il reçoit, de manière à renvoyer seulement les rayons de la couleur qui lui est propre et à absorber tout le reste.