Un objet apparaît coloré parce qu'il sélectionne (absorbe ou transmet) certaines longueurs d'onde de la lumière : ce que le capteur (œil, appareil) reçoit détermine la couleur perçue.

Couleur des objets et de la lumière

Thème : Lumière — images et couleurs. Niveau : 1ère.

Objectifs

Comprendre comment la lumière et les objets interagissent pour produire une couleur.
Différencier couleur de la lumière (spectre) et couleur d'un objet (réflexion/absorption/transmission).
Utiliser les relations physiques entre longueur d'onde, fréquence et énergie pour des ordres de grandeur.

Notion 1 — Nature de la lumière et spectre

Définition : la lumière visible est une onde électromagnétique caractérisée par sa longueur d'onde \(\lambda\) (en mètres) et sa fréquence \(\nu\) (en hertz). La relation entre elles est :

\[ c = \lambda\,\nu \]

Ordres de grandeur : le visible couvre approximativement \(400\ \mathrm{nm}\) (violet) à \(700\ \mathrm{nm}\) (rouge).

Exemple résolu — fréquence associée à \(500\ \mathrm{nm}\)

Voir la solution

On utilise \(c = 3{.}00\times10^{8}\ \mathrm{m\,s^{-1}}\).

Étape 1 : écrire la longueur d'onde en mètres : \(\lambda = 500\ \mathrm{nm} = 500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\).

Étape 2 : calculer \(\nu = c/\lambda\).

Calcul (affiché) :

\begin{align} \lambda &= 500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\\ \nu &= \frac{c}{\lambda} = \frac{3.00\times10^{8}}{500\times10^{-9}} = 6.0\times10^{14}\ \mathrm{Hz} \end{align}

Lequel de ces couples (longueur d'onde, couleur) est approximatif ?

\(450\ \mathrm{nm}\) — rouge
\(600\ \mathrm{nm}\) — orange/rouge
\(420\ \mathrm{nm}\) — jaune

La bonne réponse est 2 : 600 nm correspond à orange/rouge. 450 nm est plutôt bleu, 420 nm est violet/bleu.

Notion 2 — Pourquoi un objet a-t-il une couleur ?

Un objet interagit avec la lumière incidente par réflexion, absorption et parfois transmission. La couleur perçue dépend des longueurs d'onde renvoyées vers l'observateur.

Étape 1 — la lumière blanche arrive sur la surface.

Étape 2 — certaines longueurs d'onde sont réfléchies vers l'observateur (ici bleu).

Étape 3 — d'autres longueurs sont absorbées ou diffusées hors du champ de vue.

La couleur d'un objet dépend aussi de la source : sous une lampe rouge, un objet bleu peut paraître sombre car il n'y a pas de bleu à réfléchir.

Étape 1 : identifiez la source (spectre disponible).

Étape 2 : identifiez quelles longueurs l'objet réfléchit ou transmet.

Étape 3 : déduisez la couleur perçue par combinaison des longueurs reçues par l'œil.

Un objet rouge sous une lumière verte (sans rouge) apparaîtra :

Très sombre ou noir
Rouge vif
Jaune

Sans composante rouge dans la source, il n'y a rien à réfléchir : l'objet paraît sombre.

Notion 3 — Mélanges : additif et soustractif

Deux mélanges importants :

Additif (lumières) : rouge + vert = jaune ; rouge + vert + bleu = blanc.
Soustractif (pigments/encres) : cyan, magenta, jaune absorbent des composantes ; leur mélange enlève (soustrait) des longueurs d'onde.

Exemple — pourquoi le mélange jaune (peinture) + bleu (peinture) donne souvent un vert sombre ?

Voir la solution

En peinture, le jaune réfléchit le rouge+vert (principalement vert), le bleu réfléchit le bleu (et un peu de vert). Leur intersection réfléchie (ce qui reste) est le vert : les pigments soustraient les autres composantes.

Sur un écran, quelles couleurs faut-il allumer pour obtenir du blanc ?

Rouge + Vert
Vert + Bleu
Rouge + Vert + Bleu

Le blanc résulte de la superposition des trois couleurs primaires additivement : R+V+B.

Erreurs fréquentes

Confusion entre couleur de la source et couleur de l'objet.
Oublier l'effet des spectres étroits (LED, filtres) qui modifient la perception.
Mélanger additif et soustractif sans préciser le contexte (lumières vs pigments).

Petit calcul utile — énergie d'un photon

Relation : \(E = h\,\nu\) avec \(h = 6{.}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\). En combinant avec \(\nu = c/\lambda\) :

\[ E = h\frac{c}{\lambda} \]

Exemple rapide pour \(\lambda = 600\ \mathrm{nm}\) :

\begin{align} \lambda &= 600\times10^{-9}\ \mathrm{m}\\ E &= \frac{6{.}63\times10^{-34}\times 3{.}00\times10^{8}}{600\times10^{-9}} \approx 3{.}31\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \end{align}

L'énergie d'un photon augmente lorsque :

La longueur d'onde diminue
La longueur d'onde augmente
Rien ne change

E = hc/\lambda : énergie inversement proportionnelle à \(\lambda\), donc diminue si \(\lambda\) augmente.

Récapitulatif rapide

Couleur de la lumière = longueur d'onde ; couleur d'un objet = longueurs réfléchies/transmises.
Un même objet peut changer de couleur apparente selon l'éclairage.
Mélange additif = lumières ; mélange soustractif = pigments.

Cartes mémo

\(c = \lambda\nu\)

Relation vitesse-longueur d'onde-fréquence

Couleur d'un objet

Longueurs d'onde réfléchies ou transmises

Additif vs soustractif

Écrans (R+G+B) / Pigments (CMJ)

Photon : \(E = h\nu\)

Énergie proportionnelle à la fréquence