Sciences · Physique
Ombre propre, ombre portée et pénombre
Un objet opaque éclairé présente une ombre propre (sa face non éclairée) et projette une ombre portée sur un écran. Avec une source étendue, une zone de pénombre partiellement éclairée apparaît autour.
Mis à jour le 4 min de lecture
Les ombres sont la conséquence la plus visible de la propagation rectiligne de la lumière : un objet opaque arrête les rayons qui le frappent, et la région située derrière lui n’en reçoit plus. Leur étude, au programme de 4e en France, permet de comprendre les éclipses, les cadrans solaires ou la mesure de la hauteur d’un arbre à partir de son ombre.
Le vocabulaire
Une balle éclairée par une lampe a donc deux ombres : sa moitié non éclairée (ombre propre) et le disque sombre sur le mur (ombre portée).
Source ponctuelle : une ombre nette
Une source ponctuelle (très petite par rapport aux distances, comme une petite DEL ou une étoile lointaine) produit une ombre portée nette, aux contours précis. Pour la construire :
- Tracer les rayons qui partent de la source et frôlent les bords de l’objet : ce sont les rayons limites.
- Prolonger ces rayons jusqu’à l’écran.
- L’ombre portée est comprise entre les points d’arrivée des rayons limites.
Source étendue : ombre et pénombre
Une source étendue (lampe à grande surface, Soleil vu de près, fenêtre) peut être vue comme un ensemble de sources ponctuelles. Chacune donne sa propre ombre, décalée des autres. Sur l’écran apparaissent alors :
- une ombre centrale, que ne reçoit aucun point de la source ;
- une pénombre tout autour, éclairée par une partie seulement de la source, d’autant plus claire qu’on s’éloigne du centre.
Les contours de l’ombre deviennent flous. C’est pourquoi l’ombre d’une main est nette sous un spot mais floue sous un plafonnier large.
La taille de l’ombre
La taille de l’ombre portée dépend des positions relatives de la source, de l’objet et de l’écran :
| Modification | Effet sur l’ombre portée (source ponctuelle) |
|---|---|
| Rapprocher l’objet de la source | Elle grandit |
| Éloigner l’objet de la source (écran fixe) | Elle rétrécit, sans jamais devenir plus petite que l’objet |
| Éloigner l’écran de l’objet | Elle grandit |
| Rayons parallèles (Soleil) | Elle a la même largeur que l’objet, sur un écran perpendiculaire aux rayons |
Ces relations découlent du théorème de Thalès, puisque les rayons limites sont des droites.
Ombre et pénombre dans le ciel
- Phases de la Lune : la partie de la Lune que nous ne voyons pas est son ombre propre, non éclairée par le Soleil.
- Éclipse de Lune : la Lune entre dans le cône d’ombre de la Terre. Elle prend souvent une teinte rouge, car l’atmosphère terrestre dévie un peu de lumière rouge vers elle.
- Éclipse de Soleil : l’ombre de la Lune balaie une petite zone de la Terre (éclipse totale) ; autour, dans la pénombre, l’éclipse n’est que partielle. Voir éclipses.
- Cadran solaire : l’ombre d’une tige (le gnomon) tourne au fil de la journée avec le mouvement apparent du Soleil.
Expérience classique
Matériel : une petite lampe (DEL de poche), une lampe à grand diffuseur, une balle ou une figurine, un écran blanc (feuille cartonnée), une règle.
- Dans la pénombre de la salle, éclairer la balle avec la petite lampe : observer l’ombre propre sur la balle et l’ombre portée, nette, sur l’écran.
- Rapprocher puis éloigner la balle de la lampe : mesurer la taille de l’ombre portée.
- Remplacer la petite lampe par la lampe à grand diffuseur : l’ombre se borde de pénombre.
Erreurs fréquentes
- Confondre ombre propre et ombre portée : l’une est sur l’objet, l’autre sur l’écran.
- Dessiner des rayons qui traversent l’objet : un objet opaque arrête la lumière.
- Croire que l’ombre est un objet qui se déplace : c’est une absence de lumière.
- Oublier que la pénombre n’existe qu’avec une source étendue.
Exercice corrigé
Énoncé. Une petite lampe ponctuelle est placée à 20 cm d’un disque opaque de 4 cm de diamètre, parallèle à un écran situé à 60 cm de la lampe. 1) Calculer le diamètre de l’ombre portée. 2) Que devient-il si l’on recule le disque à 40 cm de la lampe ?
Corrigé.
- D’après Thalès,
D / 4 = 60 / 20, doncD = 4 × 3 = 12 cm. D = 4 × 60 / 40 = 6 cm: l’ombre rétrécit quand l’objet s’éloigne de la source.
Questions fréquentes
Pourquoi l’ombre est-elle plus longue le soir ?
Parce que le Soleil est bas sur l’horizon : ses rayons arrivent rasants et l’ombre d’un objet vertical s’allonge. À midi solaire, le Soleil est au plus haut et l’ombre la plus courte.
Une ombre peut-elle être colorée ?
Oui, si l’objet est éclairé par plusieurs sources de couleurs différentes : là où une source est masquée, on ne voit que la lumière des autres. Avec trois lampes rouge, verte et bleue, on obtient des ombres jaunes, cyan ou magenta (voir synthèse additive et soustractive).
Pourquoi n’y a-t-il pas d’ombre par temps couvert ?
Le ciel nuageux agit comme une immense source étendue : la lumière arrive de toutes les directions, et la pénombre devient si large que l’ombre n’est plus discernable.