PRÉLIMINAIRES

1433. L’optique est la parlic de la physique qui eomprend l’étude des phénomènes produits par l’action de la lumière.

D’habitude ces phénomènes se présentent en très-grand nombre à nos regards, et par leur multitude ils produisent une confusion que l’analyse ne démêlerait qu’avec d’immenses difficultés. Aussi le physicien prend-il avant tout des précautions particulières pour éviter les influences perturbatrices; il se place dans la chambre noire, c’est à-dire dans un espace fermé de toute part, 0(1 ne pénètre aucune autre lumière que celle dont il so propose de faire l’étude. Là, il peut observer successivement chaque phénomène, et n’ayant plus ni la vue ni l’esprit troublés par des effets étrangère, il lui est plus facile de poursuivre dans tous ses détails l’analyse qu’il s’était proposé de rendre complète.

1 13A. forpa lumineux. — Lorsqu’on vient à introduire dans la chambre obscure, où nous sommes placés, un corps lumineux, une lampe allumée, par exemple, le premier effet qui nous frappe, c'est que nous n’apercevons pas seulement la source de lumière, mais nous distinguons tous les objets placés dans le voisinage : quelques-uns même, tels que les métaux polis, brillent d’un grand éclat.

Cette première expérience conduit à une conclusion, qui, quoique bien connue, devait être cependant rappelée ; c’est que des objets qui ne sont pas visibles par eux-mêmes deviennent luminoux quand ils sont mis en présence d’une source de lumière. Ces objets n’émettent pas de la lumière qui leur soit propre, mais ils peuvent renvoyer en partie celle qu’ils reçoivent des sources lumineuses. On est conduit, par suite, à distinguer les corps en deux groupes : 1° ceux qui sont lumineux par eukmêmes, 2" ceux qui ne le deviennent que par la présence des première. Le soleil, les étoiles, les liougies allumées, le bois qui brûle appartiennent an

fi.’is

OPTlüUK.

premier groupe, el presque tous les autres corps qui s'offrent à nos yeux rentrent dans le second.

Si un corps, non lumineux pnr lui-même, est en présence d’un foyer qui l’éclaire, il peut jouer le rôle d’une source de lumière, et rendre par sa seule influence les autres corps yisibles. I.a lune nous offre un des meilleurs exemples que l’on puisse citer : elle n’a pas de lumière propre, car, aux époques où le soleil n’éclaire pas la lace tournée vers la terre, nos yeux ne peuvent pns la distinguer dans le ciel ; mais quand la lumière solaire frappe le côté de la lune tourné vers nous, l’astre est rendu visible,, et en outre, par sa seule influence l’obscurité de la nuit est dissipée.

1135. Corpn transparent», corps opaques, — La distinction qui vient d’être établie entre les corps, n’est pas la seule qu’il importe de signaler; certains corps, tels que le verre, laissent traverser en partie la lumière qui les frappe); les autres, tels que le Bois, l’interceptent complètement : il y a donc lieu de distinguer les corps transparents et les corps opaques.

1136. l’ropnffntioti «le I» lumière. — Lit lumière se propage en ligue droite. Pour le démontrer, ou perce une ouverture au volet de la chambre noire, afin que la lumière du soleil puisse y pénétrer. Grâce aux poussières qui flottent dans l’air, et que la lumière solaire éclaire sur son passage, on voit nettement la route qu’elle suit. Lu ligue tracée est toujours une ligue droite.. Celte ligne, suivant laquelle la lumière se propage, porte le nom de rayon lumineux.

De ce seul fait que la lumière se meut en ligne droite, on peut tirer l’explication d’un assez grand nombre de phénomènes ; nous citerons ceux qui présentent le plus d’intérêt.

1 137. Ombre. — La lumière est interceptée par uu corps opaque qui est

placé à une certaine distance de la

Fig. .«?.

source lumineuse, et si cette dernière existait seule, unepurtion de l’espace resterait dans nue obscurité complète dont il s’agit de déterminer les limites.

Pour y parvenir, nous réduirons d’abord la source lumineuse à des dimensions aussi petites qu'il est possible de l'imaginer: ce sera un point lumineux L. Je fais passer par le point L, un plan quelconque qui coupe l’écran opaque suivant OP. el j’examine d’abord ce (pii a lieu dans ce plan. Les deux droites LA et LB qui parlent de L et s’appuient sur la section en 0 et en P, partagent l'espace en deux parties : l’une située derrière le corps el comprise entre OA et PB et qui ne reçoit pas de lumière; car entre tout point de cet espace et le point lumineux L se trouve interposé le corps opaque : cet espace est dit dans V ombre; l’autre |>arlie, placée en dehors de l’espace AOBP, est évidemment éclairé»1.

l’H 6 1. 1 Ml 3i Al H KS.

Fig. 533.

Pour toute seclioH faite dans le corps opaque, les mômes constructions détermineraient l’ombre et la lumière. Donc, en général, pour tracer les limites de l'ombre, il faut décrire un cône en faisant tourner une ligne qui passe toujours par le point L et s’appuie constamment sur le corps opaque.

1138. P^ionb». — Deux points lumineux L et L' sont-ils placés devant un corps opaque ? D’après les règles qui précèdent, on sait tracer l’ombre que donnerait chacun des points L ou L' s’il existait seul. La ligure représente une section faite par un plan qui passe par L et L'.

Les lignes LA, L’A', qui se rencontrent en 0, les ligues LB, L’B' qui se rencontrent en l*, sont tracées d’après les règles indiquées, et l’on peut voir que l’espace placé derrière le corps opaque, entre OA et PB', ne revoit de lumière ni de L ni de L' : il est dans l’ombre complète. Ouant aux espaces AOA', BPB', ils reçoivent de la lumière, mais de l’un des points L ou L' seulement ; ils ne sont ni dans l'obscurité complète, ni en pleine lumière, on les dit dans la pénombre. Enfin, au delà de OA’ ou de PB, se manifeste l'éclairement maxiunuTi.

Entre L et L’ supposons un point lumineux L", la construction précédente pourra être faite. Par l’intervention de ce troisième point, la pénombre n'aura pas un éclat uniforme , la partie comprise dans l’angle A’OA" sera éclairée plus fortement que celle que limitent les lignes OA et OA'. Ainsi la pénombre ira en se dégradant, ('.elle dégradation se fait ici très-brusquement; mais elle aura lieu par degrés insensibles, si entre les |>ointsLet L’on imagine unirait lumineux continu, fit* qui a été fait dans cette section particulière étant étendu à l’espace occupé par le corps, nous voyons que si l’on trace les deux cônes dont les sommets sont en L et en L’ et qui s’appuient sur le pourtour de la surface opaque, la partie conmiuue aux deux cônes donnera l’ombre complète, celle qui se trouve en dehors do cette dernière, et qui est limitée par les cônes extrêmes, correspondra à la pénombre : au delà, la clarté sera maximum.

1139. Application. — dette théorie s'applique aux ombres portées par les corps célestes. Pour tracer l’ombre et la pénombre produite par l’interposition de la lune placée devant le soleil, il suffira de reproduire la construction précédente. Si la terre entre dans l’ombre formée derrière la lune, un 'spectateur placé dans cette ombre ne verra pas le soleil; il verra l’é-

Fig. 534.

clipsc totale : un spectateur placé dans la |>énombre ne verra qu'une partie du soleil : pour lui l'éclipse sera partielle; si un spectateur est placé sur le prolongement de la ligne qui joint le centre des deux astres à une distance telle qu'il soit dans la pénombre, il verra les Ixirds du disque du soleil, et il les apercevra également de tous les côtés; pour lui l'éclipse sera annulaire.

La même explication se rapporte aussi aux éclipses lunaires: lorsque la lune entre dans le côue d’ombre produit par la terre, elle s’éclipse. Ici toutefois, une remarque importante doit être faite : l’atmosphère qui entoure notre globe agit, comme nous le verrons bientôt, en déviant les rayons lumineux et change les limites de l’ombre portée.

1140. Expérience» — Des faits nombreux, qui se présentent journellement à notre observation, nous montrent l'existence de l'ombre et de la pénombre. lorsque la lumière d’une bougie se trouve interceptée par un corps opaque, on voit que l’ombre du corps sur les murs n’est jamais tranchée, quelle n’est point nettement limitée dans ses contours; et cela est d’autant plus sensible que le corps opaque est plus éloigné du mur et plus rapproché de la source lumineuse. Si l’on regarde l’ombre des bâtiments un jour qu’il fait soleil, on distingue très- nettement la pénombre, surtout si l’on observe l’ombre portée par un point élevé de l'édifice. La pénombre est donc toujours sensible quand le corps lumineux a une certaine étendue. — Au contraire, quand on prend comme source la lumière électrique, qui se rapproche beaucoup par scs faibles dimensions d’un point lumineux, la pénombre disparait, et les ombres des oorps sont nettement tranchées.

1141 ■ Chambre noire. — La propagation de la lumière en ligue droite explique également un phénomène facile à constater, qui se montre dans la chambre noire. Ce phénomène se présente, lorsqu'au volet de la chambre on perce une petite ouverture, et que devant celte ouverture on place un écran. On voit alors se peindre sur celui-ci l'image des objets extérieurs ; cette image, un peu vague dans ses contours, est renversée ; elle possède les couleurs naturelles à chaque point représenté. La figure 525 est destinée a donner une idée de cette belle expérience.

Voici l’explication du phénomène : soient ab une ligne de l’objet, 0 l’ouverture de la chambre noire. Considérons d’abord le point «qui est le plus élevé ; ce |>oint envoie de la lumière en tous sens ; nous en sommes certains, car l’œil, en quelque position qu’il soit placé, voit le pointa. Parmi les rayons lumineux que a envoie, il en est qui viendront vers l’ouverture, ils entreront dans la chambre en formant un cône qui aura pour sommet le point lumineux, et pour base l’ouverture elle-même. Ils .viendront donc dessiner sur un écran placé perpendiculairement à l'axe du cône une image de l'orifice qu'ils ont traversé. Si ce dernier est très-petit et que l’écran soit très-

PR ÉLIMINAI H ES. 641

rapproché, la trace lumineuse obtenue sera sensiblement un point a\ et pourra être considérée comme l'image du point a. Le point h fera de même

té

■ ■ - il

Kir. MS.

son image eu b', et ainsi pour tous les points intermédiaires; l'ensemble donnera l’image a'b'. La construction indique très-nettement pourquoi l'image est renversée.

1 1 42. L’ouverture 0 a été prise de jietite dimension, et cela est tout à fait indispensable, car l’expérience prouve à tout le monde que si cette ouverture acquiert de grandes dimensions le phénomène ne s’observe plus. Une salle qui reçoit le jour par une large fenêtre ne donne pas le tableau des objets extérieurs sur le mur situé vis-à-vis. La raison en est que si l’ouverture 0 est large, les rayons qui partant du point a entrent dans la chambre, forment alors un large faisceau qui sur l’écran se marque non plus par une toute petite trace comparable à un point, mais par une large surface éclairée. Le point voisin de a produit le même phénomène, et ainsi des autres. Sur tous ces espaces éclairés par les points successifs, les lumières se superposent l’une à l’autre et forment un mélange, où aucune image ne peut être* distinguée.

Dans tout ce qui a été dit, il n’a pas été question du tout de la forme de l'ouverture : elle peut être ronde, carrée, triangulaire, présenter des irrégularités quelconques, les mêmes raisonnements s’appliqueront dans ces circonstances diverses.

1143. image du soleil. — Parmi les objets extérieurs qui se peignent dans la chambre noire, l'un d'eux |>eut être le soleil, et de là nous sommes amenés à reconnaître que les rayons solaires traversant une ouverture de

ni* nui k.

forme quelconque, donnent une image ronde. Il faudra toutefois pour cela que l’écran soit perpendiculaire à l'axe du cône formé par les faisceaux incidents. Quand l'écran est incliné, dos courbes elliptiques se dessinent.

Ce résultat rend compte des images à contours arrondis, que forme le soleil quand sa lumière passe à travers les intervalles que laissent entre elles les feuilles des arbres. Quelle que soit l’irrégularité des contours, les ombres portées sont limitées par des courbes elliptiques, à moins toutefois que les intervalles libres ne soient de grandes dimensions. Quand le soleil est en partie éclipsé et qu’on n’en voit plus qu’un croissant, on bien quand la lune est dans son premier on dans son dernier quartier, les images du croissant lumineux se dessinent sur le sol à travers les ouvertures du feuillage.

illi. vite»*** de u lumière. — C’est en 1675, que Roemer. astronome danois, appelé à l'observatoire de Paris par Louis XIV, mesura la vitesse

avec laquelle la lumière se propage. Roemer y fut conduit par l'observation des éclipses des satellites de Jupiter^).

{,’tin des satellites de Jupiter le plus voisin de la pinnète, observé de la terre, placée en T, ( fig . 520). disparaît aux yeux de l'observateur au moment de son immersion dans le cône d'ombre que Jupiter, éclairé par le soleil, projette derrière lui : le satellite, continuant sa course, sort du cône d'ombre, et un observateur peut, quand la terre est placée en T,, noter l’instant précis de la sortie du cône d'ombre, ou ce «pie l’on appelle l’émersion. Avant Roemer, on savait que. entre deux émersions consécutives, il s'écoulait un temps égal à 42h 28“ 35*. Cnssiui était arrivé à ce résultat en prenant la moyenne de toutes les bonnes observations qui avaient été

i*) I)ans l'Interet île la vérité historique, il est hou de remarquer que t'.nssini est le premier qui, pour rendre romple de certaines inégalités qu’il apercevait dans les mouvement» de# satellites de Jupiier, imagina d'attrihuer h la lumière une vitesse Unie ; seulement il abandonna on peu plus lard son hypothèse, et e'est alors que Roemer, s'emparant de l’idée de l'astronome français, In (il sienne en démontrant Irès-nei liment la réalité et en donnant une valeur approchée de cette vitesse. *

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faites par les divers astronomes: dans cette moyenne, disparaissent les erreurs «pie les causes accidentelles introduisent. Roemer, en reprenant la question, reconnut que lorsque ln terre est en T et qu’elle chemine dans une direction à peu pris perpendicniaiie à la ligne qui joint son centre à celui de Jupiter, l’intervalle de temps qui s'écoule entre deux émersions successives du satellite est bien celui qu'avait indiqué (lassini. Il eu est de même quand In terre est placée en T : mais lorsqu'elle se trouve en T" et qu’elle s’écarte très-rapidement de la planète en se déplaçant à peu près parallèlement à la ligne qui joint les deux centres, on trouve que le temps compris entre les deux émersions successives est plus grand que 28" 33*. Enfin, le temps do deux immersions est plus petit que le précédent, lorsque la terre arrivée en T” se rapproche rapidement de Jupiter.

Ces divers résultats s’expliquent très-bien en admettant que la lumière met un temps fini pour se propager d’un point à un autre. Le temps qui sépare deux émersions successives étant le même, l’observateur, qui est en T, alors que la distance entre la terre et le satellite change peu, voit les deux émersions se succéder après un intervalle de temps égal à celui qui les sépare, bien qu'en réalité il ne voie pas les phénomènes au moment de leur accomplissement. Au contraire, quand la terre est en T", la première émersion parvjent à l’observateur, quand la lumière a franchi tout l’espace qui le sépare du satellite ; mais quant à l’émersion suivante, elle est aperçue après un plus grand retard, car l’observateur s’est éloigné du satellite, il a fui la lumière qui doit lui annoncer l’instant de la sortie du cône d’ombre. Le faisceau lumineux a donc parcouru cette fois un espace plus grand que tout à l’heure. Par suite, le temps qui sépare les deux émersions est augmenté de tout le temps que la lumière aurait mis à franchir l’espace dont la terre s’est déplacée. Inversement quand la terre t*t en T", qu’elle se rapproche de Jupiter, l’intervalle qui sépare deux immersions successives est diminué de tout le temps nécessaire pour que la lumière franchisse la distance que l’observateur a parcourue.

, f Mo. Hriniiatu obtenus. — Roemer, pour obtenir des résultats exacts, a observé une émersion lorsque la terre était voisine de T, puis une émersion lorsqu’elle était voisine de T, les retards se sont accumulés et ont donné une différence totale représentant le nombre de minutes que la lumière mot à parcourir le diamètre de l’orbite terrestre. En calculant ces résultats, il a reconnu que la lumière parcourt ce diamètre en IG1" 26* : c’est une vitesse de 77 000 lieues par seconde, la lieue correspondant à 4000 mètres. Un seul exemple suffira pour donner une idée de ce que doit être une vitesse aussi considérable. Un corps qui se mouvrait avec une vitesse de !5 lieues à l’heure, c’est-à-dire avec la rapidité d’une locomotive sur un chemin de fer. mettrait plus de deux siècles à parcourir une distance égale

ou OPTIQUE.

à celle qui sépare le soleil de la terre. Eh bien! la lumière parcourt cet espace en moins de 9 minutes.

De ce que la lumière met un certain temps à franchir la dislance qui sépare la source lumineuse du point qui est éclairé, il résulte que les phénomènes célestes ne sont visibles qu’au moment où ils ont déjà cessé d’être. Ceux qui se produisent à des distances peu éloignées de nous frappent nos veux peu de temps après qu’ils se sont manifestés. Ceux qui ont lieu à la distance à laquelle se trouve le soleil parviennent a notre connaissance 8 minutes après qu’ils se sont accomplis. Quant aux étoiles, qui sont si éloignées de nous que la lumière émanée de la plus voisine met plus de 4 ans à nous parvenir, il est légitime d’admettre que la lumière de plusieurs d’entre elles met des siècles pour arriver jusqu’à la terre. Ainsi, au moment où l’uni? des périodes de leur histoire s’accomplit, nous assistons à une de celles qui se sont écoulées dans les siècles précédents.

1146. Méthode de M. Fizeun. — M. Fizeau est parvenu à déterminer la vitesse de la lumière par une méthode nouvelle qui repose, non plus sur l’observation des phénomènes astronomiques, dont les manifestations sont indépendantes de notre volonté, mais bien sur de véritables expériences, à l'aide desquelles le physicien provoque lui-même l’apparition des phénomènes qu’il veut étudier, à son gré. dans des conditions bien définies.

Dans ces expériences, M. Fizeau mesure le temps que la lumière met à franchir une distance d’environ 17 kilomètres, distance que la lumière

parcourt en un temps plus petit que de seconde ; on comprend

qu’une pareille détermination exige une disposition spéciale qui permetie d'évaluer les intervalles de temps d'une extrême petitesse.

En principe, la méthode consiste essentiellement à lancer dans une di-r rcction AB ( fig . 527), un rayon lumineux qui, après avoir parcouru quelques kilomètres, rencontre un miroir MN, revient dans la direction BA, de manière à frapper l’œil voisin du point A, si aucun corps opaque ne l’intercepte au moment où il retourne à son point de départ. Il suffira alors, pour résoudre le problème que nous nous sommes posé, de mesurer le temps employé par le rayon pour effectuer l’aller et le retour. Dans ce but, à un instant précis, on enlève un écran R qui empêchait la lumière de se propager dans la direction déterminée; alors, le rayon lumineux AB se dirige vers le miroir MN, et l’on cherche à quelle antre époque il faut qu’un autre écran soit placé, pour que le rayon de retour BA se trouve intercepté. L’intervalle de temps qui sépare deux interpositions consécutives donne le temps que la lumière a mis à parcourir le double de la distance comprise entre l'écran et le miroir.

D'après l’extrême rapidité de la marche du rayon lumineux, il est nécessaire que l’écran vienne arrêter le rayon de retour quelques cent-