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Kai Jerzö
‘Jerzovskaja’
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La couleur (3) : Physique et optique
L’optique est un domaine central de la physique et essentiel pour comprendre la vision et la théorie des couleurs. Ce chapitre se consacre aux bases physiques de la lumière et à son influence sur la perception des couleurs.
Lumière et couleur
Pour décrire la lumière et la couleur, deux modèles fondamentaux sont utilisés : le modèle corpusculaire et le modèle ondulatoire. Les deux sont essentiels pour comprendre les propriétés physiques de la lumière et ses interactions.
A. Lumière en tant que particules – Le modèle corpusculaire
Isaac Newton (1643–1727) montre expérimentalement en 1676 que la lumière blanche peut être décomposée en sept couleurs spectrales – rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet. Il décrit la lumière comme de minuscules particules (appelées corpuscules) qui se déplacent en ligne droite. Newton explique la réflexion et la réfraction par l’interaction de ces particules avec des surfaces.
Cependant, le modèle corpusculaire ne peut pas expliquer des phénomènes tels que l’interférence et la diffraction, qui sont typiques des ondes.
B. Lumière en tant qu’onde – Le modèle ondulatoire
Christiaan Huygens (1629–1695) développe le modèle ondulatoire, selon lequel la lumière se propage comme une onde dans un « éther » hypothétique. La lumière se comporte ainsi comme une onde électromagnétique qui peut se superposer, s’amplifier ou s’annuler.
Thomas Young (1773–1829) prouve en 1801, grâce à l’expérience des fentes doubles, que la lumière produit des motifs d’interférence – une preuve de sa nature ondulatoire. La lumière peut ainsi être décrite comme une onde électromagnétique qui peut interférer et créer des schémas complexes d’amplification ou d’annulation.
C. Perception de la couleurs – La théorie trichromatique
Thomas Young formule en 1827 l’hypothèse que la perception humaine des couleurs repose sur trois types de récepteurs dans l’œil, chacun sensible au rouge, au vert et au bleu-violet. La lumière de différentes longueurs d’onde est perçue comme des couleurs distinctes, tandis que le mélange de ces couleurs de base génère toutes les autres sensations colorées.
D. Lumière en tant que phénomène quantique – La dualité onde-particule
Les travaux de Newton et de Young établissent les bases de la compréhension actuelle de la lumière. James Clerk Maxwell démontre en 1865 que la lumière est une onde électromagnétique qui ne nécessite pas d’éther.
Albert Einstein montre en 1905 que la lumière possède également des propriétés corpusculaires et introduit le concept de « photon » pour expliquer la nature quantique de la lumière. Un photon est une particule de lumière – la plus petite unité ou « quantum » de lumière – et d’autres rayonnements électromagnétiques. Il transporte une certaine quantité d’énergie et interagit de cette manière avec la matière. Selon les conditions d’observation, le photon montre des caractéristiques d’onde ou de particule – un phénomène connu sous le nom de dualité onde-particule.
Les photons n’ont pas de propriétés fixes. Ils peuvent apparaître soit comme une onde (lorsqu’il s’agit d’interférence ou de diffraction), soit comme une particule (lorsqu’ils interagissent avec la matière), selon l’expérience. Cela ne signifie pas que le photon « change » entre ces états, mais que la nature de son interaction dépend de la manière dont il est mesuré.
Un aspect fascinant est que l’état d’un photon reste indéterminé jusqu’à sa mesure. Le processus d’observation peut influencer cet état – une interprétation connue sous le nom d’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique. On pourrait dire que l’état d’un photon n’est « fixé » qu’au moment de la mesure. Cependant, il reste incertain si l’énergie observée est uniquement créée par le processus de mesure.
La lumière est donc décrite comme un phénomène sans propriétés classiques fixes, mais se comportant différemment en fonction de la mesure – un état continu et dynamique d’indétermination et d’interaction.
Einstein utilise le concept de photons pour expliquer pourquoi la lumière de certaines longueurs d’onde peut libérer des électrons d’une surface métallique, alors que la lumière d’autres longueurs d’onde ne le peut pas. L’énergie d’un photon dépend directement de sa longueur d’onde : les longueurs d’onde courtes (par exemple, les rayons UV) transportent plus d’énergie par photon que les longueurs d’onde longues (par exemple, la lumière infrarouge).
Lumière visible – Le spectre électromagnétique
[ Fig. 1 : Tableau des longueurs d’onde dans le spectre électromagnétique, y compris la lumière visible (380–750 nm), fig. 2 : Schéma d’un prisme montrant la réfraction et la décomposition de la lumière blanche en couleurs spectrales,
fig. 3 : Spectre de l’arc-en-ciel : les couleurs visibles par l’œil humain, de bleu-violet à rouge. ]
Perception des couleurs et longueurs d’onde
Le spectre électromagnétique couvre des longueurs d’onde allant des rayons cosmiques très courts aux ondes radio très longues. La lumière visible, perceptible par l’œil humain, occupe une petite plage comprise entre les rayons infrarouges et les rayons ultraviolets, soit environ de 380 nm (bleu-violet) à 750 nm (rouge).
Kleurwaarneming en golflengte
- Bleu-violet : env. 380–450 nm (courte longueur d’onde)
- Vert : env. 500–570 nm
- Rouge : env. 700–750 nm (longue longueur d’onde)
Chaque longueur d’onde est perçue comme une couleur distincte par la stimulation spécifique des récepteurs (cellules visuelles) dans l’œil.
Réfraction de la lumière et couleurs spectrales
La décomposition de la lumière blanche en ses couleurs spectrales est visible lorsqu’elle est réfractée par un prisme ou des gouttelettes d’eau, comme dans un arc-en-ciel. Les couleurs spectrales sont pures et ne peuvent pas être décomposées davantage.
Lorsqu’elle traverse un prisme, la lumière subit deux réfractions – une à l’entrée et une à la sortie. Les différentes longueurs d’onde étant déviées à des degrés différents, un spectre continu se forme. Ce spectre comprend environ 300 nuances de couleurs, montrant que la lumière blanche est un mélange de toutes les longueurs d’onde.
Gammes de fréquences dans le spectre électromagnétique
Ordre des longueurs d’onde, de courte à longue :
- Rayons cosmiques
- Rayons gamma
- Rayons X
- Rayonnement ultraviolet
- Lumière visible (« spectre »)
- Rayonnement infrarouge
- Micro-ondes
- Ondes ultra-courtes
- Ondes courtes
- Ondes moyennes
- Ondes longues
Résumé
La lumière présente à la fois des propriétés corpusculaires et ondulatoires et peut être décrite comme un phénomène quantique. La perception des couleurs repose sur l’absorption de longueurs d’onde spécifiques par les récepteurs dans l’œil et leur traitement par le cerveau. L’optique combine des approches physiques, physiologiques et mathématiques pour expliquer le phénomène de la lumière et sa perception colorée.
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© Kai Jerzö, 7 décembre 2024 –
Référence
Citation ? Oui, avec plaisir, comme suit :
– Jerzö, Kai (2024): ‘Perception et création – Compétence en création couleur: Physique et optique.’ 2024-12-07. In: Illustration.world-Blog, 2024-12-07. URL: https://illustration.world/design_competence_colour_3_fr/ .
