Lampes, ombres et croissants de Lune : le voyage de la lumière

Un soir d'orage, l'électricité est coupée. Dans le noir complet, tu ne vois plus rien, pas même ta main. Tu allumes ta lampe de poche : le mur et ton livre réapparaissent, alors qu'ils ne fabriquent aucune lumière. Comment les voit-on ? Et pourquoi la Lune change-t-elle de forme au fil du mois ?

1. Produire la lumière ou la renvoyer

Une source primaire de lumière produit elle-même sa lumière : le Soleil et les étoiles, une flamme, une lampe ou un écran allumés.

Un objet diffusant ne produit pas de lumière : il renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu'il reçoit. Par exemple : ton cahier, les murs, ta peau, la Lune, les planètes.

Pour voir un objet, il faut que de la lumière venant de cet objet entre dans ton œil. La chaîne est : source primaire → objet diffusant → œil.

Exemple 1 : lire le soir. Ta lampe (source primaire) éclaire ton livre. Le livre (objet diffusant) renvoie une partie de cette lumière dans toutes les directions ; un peu entre dans ton œil, et tu vois la page. Lampe éteinte, le livre ne renvoie rien : tu ne le vois plus. Tes yeux ne lancent aucun rayon, ce sont des récepteurs.

2. La lumière va tout droit

Dans un milieu transparent et homogène (air, eau, verre), la lumière se propage en ligne droite : c'est la propagation rectiligne. Pense aux rayons du Soleil qui percent les nuages. À travers un tuyau droit, tu vois une lampe ; tords le tuyau, elle disparaît.

On représente le trajet de la lumière par un rayon lumineux : un trait droit muni d'une flèche qui indique le sens de propagation.

3. Les ombres

Exemple 2 : le ballon et la lampe. Dans une pièce sombre, éclaire un ballon placé devant un mur.

• La moitié du ballon tournée vers la lampe est éclairée ; l'autre moitié, sombre, est son ombre propre.
• Sur le mur apparaît une tache sombre, l'ombre portée : la zone où la lumière n'arrive pas, car le ballon la bloque.

Comme la lumière va tout droit, on peut prévoir une ombre : depuis la source, on trace les deux rayons qui frôlent les bords de l'objet ; derrière l'objet, entre ces rayons, c'est l'ombre. On comprend alors que :

• l'ombre portée est toujours du côté opposé à la source ;
• si tu rapproches l'objet de la lampe, l'ombre grandit : c'est le secret des ombres chinoises ;
• avec une source très lointaine comme le Soleil, les rayons sont presque parallèles et l'ombre garde à peu près la taille de l'objet.

4. Les phases de la Lune

La Lune est un objet diffusant éclairé par le Soleil. Comme le ballon, elle a toujours une moitié éclairée et une moitié dans son ombre propre. En tournant autour de la Terre, elle nous montre une partie plus ou moins grande de cette moitié éclairée : ce sont les phases. Leur cycle dure environ 29,5 jours.

Vu de l'hémisphère Nord :

• Nouvelle lune (jour 0) : on ne voit rien, la Lune est entre la Terre et le Soleil.
• Premier quartier (vers le 7ᵉ jour) : la moitié droite du disque.
• Pleine lune (vers le 15ᵉ jour) : tout le disque, la Lune est à l'opposé du Soleil.
• Dernier quartier (vers le 22ᵉ jour) : la moitié gauche du disque.

Entre ces étapes, on voit des croissants, puis une Lune presque pleine, dite « gibbeuse ».

Exemple 3 : lire la Lune. Au coucher du Soleil, tu vois un fin croissant éclairé à droite. Avec un trait vertical, il forme un « D » : la Lune est croissante ; dans une semaine environ, ce sera le premier quartier. Retiens que « la Lune est menteuse » : un « D » signifie croissante, un « C » décroissante.

Attention : les phases ne sont pas dues à l'ombre de la Terre. Quand cette ombre tombe sur la Lune, c'est une éclipse, bien plus rare.

À retenir

• Une source primaire produit sa lumière (Soleil, flamme, lampe) ; un objet diffusant renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière qu'il reçoit (livre, Lune).
• On voit un objet quand de la lumière venant de lui entre dans notre œil.
• Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite.
• L'ombre propre est la partie non éclairée de l'objet ; l'ombre portée, derrière lui, est toujours du côté opposé à la source.
• Les phases de la Lune : nous voyons une partie plus ou moins grande de sa moitié éclairée ; le cycle dure environ 29,5 jours.

★ Pour aller plus loin

Vers 300 av. n. è., le Grec Euclide pensait que l'œil envoyait des rayons vers les objets. Au début du XIᵉ siècle de notre ère, le savant arabe Ibn al-Haytham a montré dans son Livre de l'optique que la lumière va des objets jusqu'à l'œil.

Sur un fin croissant, on distingue souvent le reste du disque, faiblement grisé : c'est la « lumière cendrée », de la lumière solaire renvoyée par la Terre vers la Lune. Léonard de Vinci l'avait expliquée vers 1510.

La dernière éclipse totale de Soleil visible en France date du 11 août 1999 ; la prochaine aura lieu le 3 septembre 2081.

Sources pour creuser

• Livres : Objectif Lune et On a marché sur la Lune, d'Hergé (Casterman), pour le rêve ; le guide annuel Le Ciel à l'œil nu, de Guillaume Cannat, pour observer la Lune.
• Vidéos : C'est pas sorcier sur YouTube, cherche « C'est pas sorcier Lune » ; sur lumni.fr, cherche « propagation de la lumière » et « phases de la Lune ».
• Sites : imcce.fr (dates des phases de la Lune) ; eduscol.education.fr (programme du cycle 4).