Les couleurs

Ondes et signaux

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Compétences attendues

  • Choisir le modèle de la synthèse additive ou celui de la synthèse soustractive selon la situation à interpréter. 

  • Interpréter la couleur perçue d’un objet à partir de celle de la lumière incidente ainsi que des phénomènes d’absorption, de diffusion et de transmission.

  • Prévoir le résultat de la superposition de lumières colorées et l’effet d’un ou plusieurs filtres colorés sur une lumière incidente.

  • Illustrer les notions de synthèse additive, de synthèse soustractive et de couleur des objets. 

La synthèse additive et la couleur perçue

Addition de lumières colorées

 Une lumière colorée est constituée d’une ou de plusieurs radiations lumineuses. Lorsqu’on superpose plusieurs lumières colorées sur un écran, on perçoit une autre couleur : c’est la synthèse additive.

 

 
 

 

 
 

On obtient une infinité de couleurs en superposant trois lumières colorées rougeverte et bleue, d’intensité réglable. 

On parle de trichromie. Avec des intensités convenables, la superposition de ces trois lumières colorées donne la lumière blanche.

La synthèse additive est la superposition de lumières colorées.

En superposant des lumières colorées rouge, vert et bleu (RVB) il est possible de recréer quasiment toutes les couleurs. 

En superposant ces 3 lumières colorées avec des intensités convenables, on obtient du blanc.

Deux couleurs sont dites complémentaires si leur synthèse additive donne du blanc.




Couleur perçue

L’oeil perçoit les objets grâce aux images qui se forment sur la rétine. 

La rétine est tapissée de deux types de cellules photoréceptrices : 

  • les bâtonnets qui sont très sensibles à l’intensité lumineuse mais pas aux couleurs

  • les cônes qui détectent les lumières colorées.


 

Il existe 3 types de cônes, chacun d’eux étant principalement sensible à une des lumière colorée : rouge vert ou bleu. 

La perception des couleurs par l’Homme utilise le principe de la trichromie.

L’observateur perçoit une couleur résultant de la synthèse additive des lumières colorées qui pénètrent dans son œil.


La couleur perçue est l’impression visuelle des différentes radiations constituant la lumière visible qui atteint notre œil. Elle s’explique par la synthèse additive des couleurs.

 
 

Activité

 Prévoir une couleur

On éclaire un écran blanc à l’aide de deux lumières colorées rouge et bleue qui se superposent partiellement.

  1. Préciser la synthèse des couleurs exploitée dans cette situation.

  2. Identifier la couleur de la zone délimitée par des pointillés. 

 

On éclaire un écran blanc à l’aide de deux projecteurs émettant des lumières de couleurs différentes.

  1. Reproduire et compléter le schéma ci-contre en ajoutant la couleur des lumières incidentes.

 

Identifier une couleur percue

L’œil d’un observateur reçoit de la lumière constituée de radiations rouge, verte et jaune.

  1. Préciser le type de synthèse mise en œuvre dans l’œil lorsqu’il perçoit une couleur.

  2. Indiquer la couleur perçue par l’œil dans le cas décrit.

La synthèse soustractive et la couleur des objets

Interaction lumière-objet

 
 

Les objets interagissent différemment avec la lumière incidente.

Il y a absorption lorsqu’un objet absorbe une partie de la lumière incidente.

Il y a diffusion lorsqu’un objet renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière incidente.

Il y a transmission lorsqu’un objet est traversé par une partie de la lumière incidente.


Absorption de lumières colorées

La synthèse soustractive est l’absorption de lumières colorées.

La superposition de filtres de couleur cyan, magenta et jaune sur le trajet d’un faisceau de lumière blanche permet d’obtenir de nouvelles lumières colorées.

La synthèse soustractive de deux lumières colorées de couleurs complémentaires donne du noir.



Couleur perçue d’un objet

 

Un objet absorbe la lumière de couleur complémentaire à la lumière qu’il diffuse et transmet.

Le phénomène physique à l’origine de la couleur perçue des objets est l’interaction lumière-objet.La couleur perçue d’un objet dépend :

  • de la lumière incidente qui l’éclaire ;

  • des lumières colorées qu’il absorbe, diffuse et transmet.

Activité

 Prévoir une couleur en synthèse soustractive

Un filtre coloré est éclairé par une lumière blanche constituée de lumières colorées rouge, verte et bleue.

  1. Rappeler l’action d’un filtre coloré sur un faisceau lumineux.

  2. Préciser la couleur du filtre utilisé dans la situation schématisée ci-dessus. 

Reproduire et compléter le schéma ci-contre en indiquant la couleur de chacun des filtres.

 

Couleur des objets

Une pomme jaune est éclairée par une lumière colorée verte.

  • Interpréter la couleur perçue de cette pomme sur la photographie ci-dessous.


Notes

 

 

 

Exercices

Prévoir l’effet de la superposition de filtres colorés

Sur la table d’un restaurant, un verre transparent, de couleur verte, est rempli d’eau. La lumière ambiante est blanche. 

Quelle est la couleur de la lumière transmise par ce verre?

Quelle est la couleur de la lumière qu’il diffuse? Quelle est la couleur de la lumière qu’il absorbe? 

De quelle couleur ce verre apparaît-il lorsqu’il est rempli de vin “rouge” dont la couleur s’apparente au magenta?

Expliquer la couleur d’un écran

La surface d’un écran plat est découpée en petites zones appelées pixels. Chaque pixel est subdivisé en sous-pixels. Chaque sous-pixel ne peut s’illuminer qu’en rouge, vert ou bleu. La figure ci-dessous peut être utilisée pour régler les couleurs d’un écran.
Les différentes lumières émises par les sous-pixels se superposent dans l’oeil d’une personne observant un tel écran. Quel est le type de synthèse mise en jeu ?
Quelles sont les couleurs complémentaires du rouge, du vert et du bleu ?
Pour chacune des zones de la figure, indiquer quelles sont les couleurs des sous-pixels illuminés.


Prévoir la couleur d’une lumière

Pour éclairer une scène de spectacle, un éclairagiste utilise un projecteur de lumière blanche à la sortie duquel il peut placer des filtres de différentes couleurs. Il dispose de trois filtres, dont un cyan et un jaune. L’éclairagiste superpose d'abord le filtre jaune et le filtre cyan.
Quelle est la couleur obtenue après traversée de ces deux filtres? 
De quelle couleur doit être le troisième filtre pour que l’éclairagiste puisse, par superposition avec le filtre cyan ou le filtre jaune, obtenir de la lumière rouge? 
Que se passe t’il si l’on superpose ces trois filtres?

Ne pas se fier à la couleur

Éclairée en lumière blanche, une solution de permanganate de potassium est magenta. On a réalisé le spectre d'absorption de la solution.

Quelles sont les couleurs principales des radiations qui composent la lumière transmises par la solution ? 
Quelle information supplémentaire nous apporte le profil spectral?

Complémentaires, mon cher Watson !

Cercle chromatique

Le cercle chromatique est une représentation des différentes couleurs de la lumière blanche. Deux couleurs complémentaires sont diamétralement opposées.




Notre œil connaît les couleurs complémentaires! 

Lorsque l’on fixe un objet comme le panneau ci-contre pendant une trentaine de secondes et que l’on regarde ensuite une feuille blanche, il apparaît sur cette feuille l’image de ce panneau en cyan. Cela s’interprète par un phénomène de rémanence : lorsque l’œil fixe la zone rouge, les photorécepteurs de la rétine sensibles au rouge sont stimulés jusqu’à saturation.

Lorsque l’on détourne le regard vers la feuille blanche, les photorécepteurs auparavant non excités ne sont pas saturés et transmettent un signal au cerveau. Les photorécepteurs saturés, au contraire, ne répondent plus au stimulus et ne transmettent plus de signal. Sur l’image rémanente, on obtient alors une zone cyan correspondant à la zone rouge de l’objet précédemment observé.



Le vert, couleur dominante au bloc opératoire

Le vert et le bleu ont été choisis comme couleur du bloc opératoire et des vêtements du personnel. Lors d’une intervention le chirurgien concentre son attention sur les tissus organiques et le sang de couleur dominante rouge. 

Les cônes sensibles au rouge arrivent à saturation. En fixant quelques instants les zones vertes (ou bleues) de son environnement, le chirurgien  sollicite ses cônes sensibles au vert (ou au bleu) et repose ceux sensibles au rouge. 


  • Que peut-on dire de la couleur dominante du sang et celle du bloc opératoire ?

  • Pourquoi le jaune n’a pas été choisi comme couleur dominante dans un bloc opératoire ?

Impression en couleur

Pour imprimer en couleur, une imprimante projette sur une feuille blanche de minuscules gouttes d’encres colorées. Les encres couleurs disponibles sont jaune, magenta et cyan.

  • Comment se nomme la synthèse qui permet de recréer toutes les couleurs à partir de ces trois encres ?

  • L'imprimante projette de l'encre jaune et de la cyan au même endroit. Quelle est la couleur alors perçue ? Justifier clairement.

Lumière et couleurs

Un tunnel routier est éclairé par des lampes à vapeur de sodium qui émettent une lumière de couleur jaune.

Quelle sera la couleur perçue dans le tunnel pour :

  • une voiture blanche ?

  • une voiture bleue ?

  • une voiture jaune ?

  • une voiture noire ?

Les bandes de tissu

On considère une bande de tissu formé de trois bandes de couleurs différentes en lumière blanche. On éclaire ce tissu à l’aide de trois sources colorées (R, V et B) utilisées en synthèse additive. Le tableau ci-dessous donne la couleur primaire diffusée par chaque bande suivant la lumière incidente de la source utilisée.


  •  La bande 1 absorbe-t-elle ou diffuse-t-elle les radiations émises par la source bleue (B) ?

  • Même question pour les radiations émises par les sources R et V.

  • Mêmes questions pour les bandes 2 et 3.

  • En déduire la couleur perçue pour chaque bande, éclairée en lumière blanche (dans le modèle trichromatique RVB)

  • On éclaire ce tissu en superposant les deux sources R et V. Quelles sont les couleurs perçues pour chacune des trois bandes ?

Extraction de la curcumine

La curcumine est la principale espèce chimique colorée du curcuma, une épice largement utilisée en cuisine réunionnaise ou indienne. Une fois isolée elle est utilisée en tant que colorant alimentaire (E100).


  •  Quel est le domaine de longueurs d’onde qui correspond à une plage d’absorption de la lumière visible ?

  • En déduire la couleur de la lumière après traversée de la solution. Pourquoi cette couleur résulte-t-elle d’une synthèse soustractive ?

  • Comment apparaîtrait cette solution si on remplacée la lumière blanche par de la lumière bleue (ne contenant que les longueurs d’onde comprises entre 420 et 480 nm) ?

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