Théories de la lumière de Newton et Huygens

Au XVIIe siècle, les physiciens ont eu un débat important pour tenter d'expliquer le phénomène de la lumière. La théorie de la lumière de Christiaan Huygens, qui affirme que la lumière est constituée d'ondes, a été l'une des premières théories connues expliquant le comportement de la lumière. Une autre théorie a vu le jour lorsque Newton a tenté de réfuter la théorie des ondes en publiant sa théorie corpusculaire de la lumière, selon laquelle la lumière est constituée de petites particules.

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    Quelle est la théorie de la lumière de Newton ?

    Isaac Newton a étudié le comportement de la lumière dans sa théorie des couleurs. Sa théorie de la lumière était basée sur ses lois du mouvement, car il considérait la lumière comme un mouvement rectiligne composé de petites particules appelées corpuscules. C'est pourquoi la théorie de la lumière de Newton est également connue sous le nom de théorie corpusculaire.En étudiant la nature géométrique de la réflexion et de la réfraction de la lumière, Newton a conclu que la lumière est composée de particules colorées qui se combinent pour apparaître blanches.

    Laréflexion est un phénomène de la lumière qui se produit lorsqu'elle heurte une surface qui n'absorbe pas entièrement son énergie rayonnante, ce qui a pour effet de faire rebondir la lumière sur la limite.

    Théories de la lumière de Newton et de Huygens, diagramme de la réflexion de la lumière, StudySmarterFig. 1 - Réflexion de la lumière

    Laréfraction de la lumière est la flexion de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Cela modifie la vitesse de la lumière en fonction de la densité des milieux.

    Théories de la lumière de Newton et de Huygens, diagramme de réfraction de la lumière, StudySmarterFig. 2 - Réfraction de la lumière

    Consulte notre explication, Réfraction sur une surface plane, pour plus d'informations sur la réfraction.

    Newton a remarqué que la réflexion et la réfraction ne pouvaient être possibles que si la lumière était composée de particules (ou, comme il les appelait, de corpuscules). Sa théorie de la lumière stipule que la lumière émet continuellement de petites particules ou corpuscules qui semblent changer de vitesse lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre de densité différente. Par conséquent, la vitesse de la lumière change en fonction de la densité du milieu qu'elle traverse.

    Théorie ondulatoire de la lumière : L'expérience du prisme de Newton

    Newton a réalisé une expérience pour réfuter la théorie ondulatoire de la lumière et prouver que la lumière se déplace comme un flux de particules en ligne droite et non comme une onde. Son expérience a permis d'expliquer trois phénomènes principaux de la lumière : la réflexion, la réfraction et la propagation rectiligne de la lumière. Cependant, sa théorie ne pouvait pas expliquer la diffraction, qui est l'une des principales propriétés des ondes.

    Newton a décidé de prouver sa théorie en étudiant la réfraction de la lumière et, plus précisément, le spectre de couleurs qui était censé apparaître lorsque la lumière passe à travers le verre. Il a laissé un faisceau de lumière solaire (qui est une lumière blanche) passer à travers un prisme en verre. Il a observé que la lumière se dispersait en plusieurs couleurs ressemblant à un arc-en-ciel. Il a appelé cette bande de lumière multicolore un spectre de couleurs. Bien que le spectre de couleurs soit continu, Newton l'a divisé en sept catégories de couleurs différentes, à savoir le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet.

    Newton a ensuite fait passer le faisceau de lumière solaire à travers un second prisme tenu à l'envers, de sorte que le spectre traversant le premier prisme a été recomposé en lumière blanche (voir l'image1 ci-dessous).

    Théories de la lumière de Newton et de Huygens, Expérience du prisme de Newton, StudySmarterFig. 3 - Expérience du prisme de Newton et réfraction de la lumière

    Newton a d'abord pensé que le spectre des couleurs était causé par le verre, mais grâce à ses expériences, il a conclu que chaque couleur a un angle de réfraction spécifique. Il a observé que (a) tous les objets semblent être de la même couleur que le faisceau de lumière colorée qui les éclaire et (b) qu'un faisceau de lumière colorée reste de la même couleur quel que soit le nombre de fois où il est réfléchi ou réfracté. Cela l'a amené à conclure que la couleur est une propriété de la lumière qui se réfléchit sur les objets et non une propriété des objets eux-mêmes.

    Newton a également proposé l'existence de l' éther, un support suggéré à travers lequel la lumière voyage. Cependant, la présence d'un soi-disant éther a été réfutée au cours des siècles suivants.

    Quelle est la théorie de la lumière de Huygens ?

    À la fin du XVIIe siècle, Christiaan Huygens a prouvé que sa théorie ondulatoire de la lumière pouvait expliquer les phénomènes de diffraction, d'interférence et de réflexion. La théorie de Huygens stipule que chaque point d'une source de lumière envoie un front d'onde dans toutes les directions dans un milieu continu et homogène appelé éther.

    Ladiffraction de la lumière est la courbure de la lumière autour des bords d'un objet (les ondes sont courbées lorsqu'elles rencontrent les bords d'un objet).

    L'interférence est le phénomène qui se produit lorsque deux ondes fusionnent, ce qui donne une amplitude plus élevée, plus faible ou nulle. Lorsque des ondes fusionnent, elles créent une onde d'amplitude plus élevée aux points où les deux ondes se rencontrent, ce qui crée un motif d'interférence composé d'ombres claires et d'ombres pâles.

    Huygens pensait que la diffraction se produisait en raison de l'interférence des fronts d'onde et que les ondes lumineuses différaient des ondes mécaniques ou des ondes d'eau par le sens de leur déplacement. Huygens a montré que les bords des ombres de la figure d'interférence ne sont pas parfaitement nets. Par conséquent, Huygens a conclu que la lumière doit être une onde et qu'elle se diffracte lorsqu'elle passe à travers une ouverture.

    La théorie de Huygens a réussi à expliquer la réfraction et la réflexion ainsi que la diffraction et la figure d'interférence qui en résulte. Cependant, la théorie de Huygens a été partiellement réfutée au cours des siècles suivants.La théorie de Huygens stipule que la lumière voyage à travers un milieu sous la forme d'un front d'onde, mais la théorie de Maxwell proposait que la lumière n'ait pas besoin d'un milieu pour se propager et qu'elle puisse voyager dans le vide. Il a également supposé que la lumière est formée par l'échange de champs électriques et magnétiques, qui se déplacent sous forme d'ondes à la vitesse de la lumière.

    Qu'est-ce que le principe de Huygens ?

    Leprincipe de Huygens stipule que lorsqu'une onde lumineuse se déplace dans le vide ou dans un milieu et atteint une ouverture, son front d'onde peut être considéré comme des points individuels émettant de nouvelles sources d'ondelettes qui s'étendent dans toutes les directions, créant ainsi des s.

    Le principe de Huygens explique la forme que l'on observe dans une onde, comme les vagues d'eau. Il explique également le phénomène de diffraction des ondes sur les bords. Le principe de Huygens est aujourd'hui utilisé pour développer l'optique, par exemple les miroirs et les lentilles.

    Thomas Young et l'expérience de la double fente

    Le principe de Huygens n'ayant jamais été validé expérimentalement, c'est la théorie de Newton qui a prévalu. Thomas Young décide de réaliser une expérience qui permettrait de prouver la théorie de Huygens selon laquelle la lumière est une onde et non une particule. Young pense que la lumière est effectivement une onde et qu'elle devrait avoir des propriétés similaires à celles des vagues d'eau. Il pensait également que les ondes lumineuses devaient interagir lorsqu'elles se rencontraient (et que cette interaction devait inclure la fusion des ondes). C'est ce comportement que Young s'attendait à observer lors de son expérience.

    Lorsque deux crêtes d'une vague se rencontrent, elles se combinent pour former une vague qui a une plus grande amplitude. Lorsqu'une crête rencontre un creux, les ondes s'annulent et forment une onde plate ou une onde de moindre amplitude à cet endroit.

    Young a placé une source lumineuse derrière une fente pour permettre à un faisceau de lumière d'entrer par un seul point. La lumière s'est ensuite étalée et est entrée dans un second écran comportant deux fentes avec un écran à l'avant. Deux sources lumineuses étaient nécessaires pour obtenir des interférences, et Young a observé que la lumière s'étalait par diffraction au niveau de la double fente. Il a également observé une figure d'interférence formée sur l'écran avec des ombres claires et sombres.

    Théories de la lumière de Newton et de Huygens, Expérience de la double fente Principe de Huygens, StudySmarterFig. 4 - Expérience de la double fente

    À partir de cette expérience, Young a compris que la lumière est une forme d'onde transversale car la lumière se comportait exactement comme prévu (il y avait une figure d'interférence avec des ombres claires et sombres indiquant les points où deux crêtes et deux creux se rencontraient respectivement). Si la lumière était effectivement une particule, comme l'a prédit Newton dans sa théorie de la lumière, alors le faisceau lumineux passant par la fente aurait été reproduit sur l'écran de visualisation, comme illustré ci-dessous.

    Théories de la lumière de Newton et de Huygens, expérience de la double fente, principe de Huygens StudySmarterFig. 5 - Diagramme montrant l'expérience où la lumière est reproduite sur l'écran de visualisation derrière deux ouvertures.

    Incidence sur la dualité onde-particule de la lumière

    Un siècle plus tard, Einstein a prouvé que la lumière peut également exister en tant que particules individuelles d'énergie, comme l'avait prédit Newton. Par conséquent, les théories de Newton et de Huygens étaient en quelque sorte correctes, car la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule. L'expérience de Young a également été recréée sous plusieurs variantes, notamment en utilisant des électrons au lieu de faisceaux lumineux. Cette expérience a montré que lorsque des détecteurs étaient utilisés au niveau des fentes, les particules semblaient se comporter comme des ondes.

    De nombreux physiciens ont tenté d'expliquer le double comportement de la lumière, qui semble se comporter tantôt comme des particules, tantôt comme des ondes. Ces expériences et théories ont conduit à l'élaboration de la théorie moderne de la mécanique quantique, qui stipule que la lumière se comporte comme une particule et une onde, mais que nous ne pouvons pas observer les deux propriétés en même temps.

    Théories de la lumière de Newton et de Huygens - Principaux points à retenir

    • La théorie de la lumière d'Isaac Newton stipule que la lumière est un mouvement rectiligne composé de petites particules appelées corpuscules.

    • La théorie de la lumière de Huygens affirme que la lumière est constituée d'ondes.

    • La théorie de Huygens a été partiellement prouvée par Thomas Young à l'aide de l'expérience des doubles fentes.

    • Les deux théories se sont avérées valables, car il a été prouvé par la suite que la lumière avait à la fois des propriétés d'onde et de particule.

    • Ces théories de la lumière ont finalement abouti à la double théorie de la lumière de la mécanique quantique.


    Images

    Un montage expérimental simple pour montrer clairement que la lumière ne se recombine pas après avoir traversé deux prismes. https://aapt.scitation.org/doi/10.1119/1.5018680

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    Questions fréquemment posées en Théories de la lumière de Newton et Huygens
    Qu'est-ce que la théorie corpusculaire de la lumière de Newton?
    La théorie corpusculaire de Newton affirme que la lumière est constituée de petits particules appelées 'corpuscules' qui voyagent en ligne droite.
    En quoi consiste la théorie ondulatoire de Huygens?
    La théorie ondulatoire de Huygens propose que la lumière est une onde se propageant à travers un 'éther' hypothétique, expliquant les phénomènes de diffraction et d'interférence.
    Quelles sont les différences entre les théories de Newton et Huygens?
    Newton considérait la lumière comme des particules, tandis que Huygens la voyait comme une onde. Cette différence explique des phénomènes comme la réfraction et l'interférence différemment.
    Pourquoi la théorie de Huygens a-t-elle été plus acceptée que celle de Newton?
    La théorie de Huygens a été plus acceptée car elle expliquait mieux les phénomènes de diffraction et d'interférence que la théorie de Newton.

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