L’optique et l’espace

Les phases de lune, les éclipses, et les notions d’ombre et de pénombre
jeudi 30 août 2007
par  Lionel Balmer
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Lors de notre voyage à Toulouse, nous avons visité la cité de l’espace. Le but de ce rapport est de répondre à diverses questions ayant pour thème principal l’optique et la lune.

Plan

1. Introduction

2. Résumé du voyage

3. Le site de l’Airbus A380

4. La cité de l’espace

5. Questions

6. Notions physiques

7. Réponses

8. Conclusion

1. Introduction

À l’occasion de la semaine hors-cadre des élèves de troisième année, notre classe de physique OS est partie à Toulouse. Durant ce séjour, nous avons visité de nombreuses installations ayant toutes plus ou moins un lien avec la physique. Grâce à ce voyage, nous avons pu voir l’utilité de la physique dans la vie de tous les jours. Dans cet article, nous verrons que l’optique peut expliquer des phénomènes courants, comme les phases de lune.

2. Résumé de notre voyage

Plan de notre voyage

Nous sommes partis le dimanche 22 avril en compagnie de notre professeur de physique, Monsieur Bernard Vuillemier, ainsi qu’avec l’un des doyens de Nicolas-Bouvier, Monsieur Christian Macherel [1]. Dans l’après-midi, nous avons fait une halte à Carcassonne, où nous avons visité cette ville fortifiée. Elle est entourée par d’imposantes murailles et à l’intérieur il y a de nombreuses ruelles très étroites.

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Carcassonne

Nous sommes arrivés le soir au centre de loisirs de Besplas qui, outre le logement, offre un terrain de foot, un terrain de volley, une piscine (inutilisable car en rénovation), et une salle de jeux (ping-pong, baby-foot, TV,...). Les chambres étant de taille modeste, nous avons passé la majeure partie de nos soirées dans le salon où nous jouions au poker.

Le lundi, nous sommes allés au centre-ville de Toulouse puis, en fin d’après-midi, nous avons suivi une visite guidée du site d’Airbus.

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Toulouse

Le site est très grand mais nous n’avons pu avoir accès qu’à une partie du site, partie un peu trop restreinte à mon goût. Le site plus en détail

Le mardi a été entièrement consacré à la visite de la cité de l’espace. Nous avons eu droit à deux visites guidées : la première pour parler de l’observation de la terre vue de l’espace via les satellites, la deuxième pour parler des fusées et de la station orbitale internationale ISS. Nous avons aussi eu accès à un film panoramique retraçant un voyage dans notre galaxie, et un deuxième film en 3D de la station orbitale internationale ISS. La cité plus en détail

Le mercredi nous sommes rentrés à Genève en faisant une halte à Avignon. Nous avons bien sûr vu le fameux pont d’Avignon ainsi que le rocher des Doms [2] .

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Avignon

3. Le site de l’Airbus A380

Lors de notre visite du site, nous avons eu droit à un petit film retraçant le premier vol d’essai de l’Airbus A380, puis une visite extérieure du site et enfin une "visite" de l’intérieur du hangar d’assemblage de l’avion. La visite intérieure se résume en une petite salle tout en haut du hangar, d’où nous ne pouvions voir qu’une infime partie de la construction de l’avion.

Malgré la pauvreté des informations reçues, nous avons appris que les pièces de l’Airbus A380 viennent de toute l’Europe et qu’elles sont acheminées jusqu’à Toulouse par bateau, barge, avion jumbo et gros camion.

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Transport de l’Airbus

L’Airbus est actuellement le plus gros avion de ligne sur le marché. Avec ses deux étages, l’Airbus révolutionne l’ère du transport aérien.

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Airbus A380
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Coupe de l’Airbus

4. La cité de l’espace

Lors de notre visite à la cité de l’espace, nous avons eu accès à deux projections cinématographiques ainsi qu’à de nombreuses activités. La théorie étant bien expliquée à l’aide d’exercices pratiques, la cité permet à chacun de trouver son compte. Les deux films étaient, en plus d’être impressionnants par leur originalité, un bon moyen de se mettre dans l’ambiance de l’espace et de mieux comprendre le reste de l’exposition.

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Cité de l’espace

5. Questions

Parmi le choix des Questions, j’ai choisi la question suivante, pour son aspect de physique quotidienne.

Question 1 Expliquez pourquoi la lune présente des phases. Réponse
Question 2 Qu’est-ce qu’une éclipse de lune ? Réponse
Question 3 Qu’est-ce qu’une éclipse de soleil ? Réponse
Question 4 Définissez et illustrez les notions d’ombre et de pénombre. Réponse

En effet, nous pouvons répondre à ces questions grâce à la physique et plus précisément grâce à l’optique. Ces questions sont liées aux trajectoires des rayons lumineux.

6. Notions physiques

L’optique

La lumière est une forme perceptible par l’oeil des radiations électromagnétiques. Il existe bien sûr d’autres types de radiations électromagnétiques comme les ondes radio, les rayons X ou encore les rayons ultraviolets. Leurs différences se font au niveau de leurs longueurs d’onde.

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Spectre électromagnétique
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Longueur d’onde (λ)

De manière générale, nous pouvons dire que la lumière visible se déplace en ligne droite si et seulement si elle reste dans un milieu homogène. Lors du passage de la lumière d’un milieu à un autre, la trajectoire de la lumière change car il y aura une différence de vitesse de propagation de l’onde d’un milieu à l’autre. C’est la loi de la réfraction. Bien que nous n’en n’ayons pas besoin pour répondre aux questions, voici sa formule avec un schéma :

$n_1*\sin(\alpha_1) = n_2*\sin(\alpha_2)$ n est l’indice de réfraction absolue (valeur que l’on trouve dans la table CRM) pour chaque milieu, et où α est l’angle entre le rayon et la normale au point d’incidence.
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Schéma de la loi de la réfraction

N.B. Une partie des rayons est réfléchie telle que $\alpha_1 = \alpha_1’$ (loi de la réflexion)

L’astronomie

Comme nous le savons tous, notre système solaire appartient à une galaxie, la voie lactée. Dans notre système solaire, le soleil est le centre et le reste des planètes gravitent (tournent) autour de lui.

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Noms des planètes du Système solaire

Les huit planète du système solaire : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Pluton n’étant plus considéré comme une planète.

Ci-dessous sont illustrées les trajectoires dans l’espace des planètes et de quelques comètes autour du soleil.

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Système solaire en 3D

Comme nous le voyons, les planètes proches (Mercure, Vénus, Terre, Mars) du Soleil ont une trajectoire plutôt concentrique tandis que les planètes plus éloignées (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) ont une trajectoire plutôt elliptique. De plus, les trajectoires ne se trouvent pas toutes sur le même plan.

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Système solaire plan 3D

Quelques données :

Le Soleil
Distance Terre-Soleil 1.5 • 1011 m
Rayon 6.95 • 108 m = 109.3 • RTerre
Masse 1.989 • 1030 kg = 332946 • MTerre
La Terre
Rayon 6.371 • 106 m
Masse 5.97 • 1024 kg
La Lune
Distance Terre-Lune 3.82 • 108 m
Rayon 1.74 • 106 m = 0.273 • RTerre
Masse 7.35 • 1022 kg = 0.0123 • MTerre

7. Réponses aux Questions

Dans les schémas, les proportions ne sont pas prises en compte.

Voici la situation de manière simplifiée :

Comme nous le voyons, les tailles, les distances et les vitesses ne sont pas à l’échelle. Malgré tout, cela nous donne un bon aperçu de la situation. Nous avons donc la terre tournant autour du soleil et la lune tournant autour de la terre. Comme nous l’avons constaté auparavant, les axes de rotations de chacun des astres ne sont pas sur un même plan, même si cela ne peut apparaître sur ce schéma.

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La lune ne se trouve pas sur le même plan que le plan Terre-Soleil


1. Réponse à la Question 1

Comme nous le voyons, la lune a des phases qui diffèrent chaque soir. Le cycle dure environ 27 jours.

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Les phases de la lune

Dans ce graphique, il est sous-entendu que nous nous trouvons en situation générale, c’est-à-dire que le plan Terre-Lune n’est pas le même que le plan Terre-Soleil. Voici donc ce que nous voyons de l’extérieur, avec toujours une moitié de lune complètement éclairée.

Les rayons partent du Soleil et ne vont éclairer qu’une partie de la lune. Depuis la Terre, nous ne verrons que la face de la lune qui est éclairée et qui est face à nous. Soit, comme nous le voyons ci-dessous, ce qui se passe de l’extérieur (croquis du haut) et ce qui correspond à ce que nous voyons depuis la Terre (croquis du bas).

Phases de la Lune

Nous avons aussi donné des noms à chaque étape, les noms les plus connus étant la nouvelle lune (pas de face visible) et la pleine lune (face complètement visible).

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Le nom des différentes phases de lune


2. Réponse à la Question 2

Une éclipse de lune s’observe durant une pleine lune. Pour avoir une éclipse de lune, il faut que les trois astres, Soleil, Terre, Lune, soient alignés sur un même plan, de la manière suivante :

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Position de la lune pour une éclipse

Les rayons de Soleil qui normalement éclairent la lune et devraient nous montrer une pleine lune, vont être arrêtés par la Terre. La lune est donc cachée par la Terre.

Il existe deux types d’éclipse de lune : Voir notion ombre et pénombre

  • L’éclipse totale

L’éclipse totale est quand la lune se trouve dans la zone d’ombre de la terre.

  • L’éclipse partielle

L’éclipse partielle est quand la lune se trouve dans la zone de pénombre de la terre ou qu’elle n’entre pas complètement dans la zone d’ombre.

Voici un schéma qui résume le tout :

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Type d’éclipse de lune

Et voilà ce que cela donne en photo :

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Éclipse de lune partielle

Nous observons que la lune est parfois orangée, cela est dû à l’atmosphère terrestre. En effet, selon la loi de la réfraction, les rayons solaires vont être déviés mais vont quand même éclairer la lune. Les rayons rouges ayant une fréquence plus grande vont être davantage déviés et c’est pourquoi la lune apparaît rouge.


3. Réponse à la Question 3

L’éclipse de soleil s’observe en plein jour la veille d’une nouvelle lune. Pour voir une éclipse de soleil, il faut que les trois astres soient alignés de la manière suivante :

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Positions possibles pour les éclipses de Soleil

Il existe deux types d’éclipse de soleil :

  • L’éclipse totale

L’éclipse totale est quand la lune se trouve suffisamment éloignée de nous pour bloquer la totalité des rayons émanant du Soleil. Pour observer l’éclipse totale, il faut se trouver dans la zone d’ombre. Si nous nous trouvons dans la zone de pénombre, nous n’observerons qu’une éclipse partielle.

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Éclipse totale

Nous ne voyons donc plus du tout le Soleil.

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Photo d’une éclipse totale

Les rayons lumineux que l’on voit encore sur la photo ci-dessus sont en fait les éruptions de magma se trouvant à la surface du Soleil. C’est la couronne solaire. [3]

  • L’éclipse annulaire

L’éclipse annulaire est quand la lune se trouve proche de nous telle qu’elle ne bloque qu’une partie du des rayon du Soleil.

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Éclipse annulaire

Nous voyons donc la Lune recouvrant partiellement le centre du Soleil.

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Photo d’une éclipse annulaire


4. Réponse à la Question 4

L’ombre et la pénombre sont définies selon le schéma suivant :

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L’ombre et la pénombre

L’ombre est la zone où aucun rayon de lumière ne parvient tandis que la pénombre est la zone où seulement une partie des rayons arrivent. Donc la pénombre est une ombre légèrement éclairée.

8. Conclusion

Nous voyons donc que grâce à l’optique nous pouvons expliquer des phénomènes que nous voyons tous les jours. L’optique, avec par exemple, la notion de rayon lumineux, d’ombre et de pénombre permet d’expliquer les phénomènes astronomiques, à priori complexes, de manière très simple.


Sources des images :

  • Créations personnelles avec Mathématica
  • P. Rocher, Bureau des longitudes
  • IMCCE
  • techno-science.net
  • Universalis 8.0

[1J’en profite pour remercier ici nos deux accompagnants pour l’organisation de ce voyage, et de nous avoir ainsi permis de passer une bonne semaine hors-cadre en leur compagnie. Retour à la suite

[2Nous avons d’ailleurs mangé dans un petit coin de paradis se trouvant sur le rocher des Doms. Tout en haut, surplombant la ville, se trouve un petit restaurant très accueillant, entouré de verdure et adjacent à un petit étang avec de jolies fontaines. On y sert entre autres de délicieuses glaces. Retour à la suite

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Emplacement du restaurant sur le rocher des Doms

[3La couronne solaire est toujours présente mais elle n’est simplement pas visible à l’oeil nu ni avec l’aide de filtre à Soleil car son intensité n’est pas assez forte pour se distinguer du reste. Retour à la suite


Documents joints

Diaporama de l'intérieur d'Airbus

Commentaires  forum ferme

Logo de Marc
vendredi 8 avril 2011 à 10h47 - par  Marc

L’astronomie, toutes études portant sur l’univers m’ont toujours fasciné au plus haut point. Je vous remercie pour ces éclaircissements sur les phénomènes d’ombre et de pénombre.