1ère Spé – Chapitre 19 : Couleurs

 : Les cônes et les bâtonnets

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On démontre aisément, à partir de quelques expériences de collège, que les toutes couleurs contiennent 3 couleurs qui sont : Le bleu, le rouge et le vert. On les appelle alors « couleurs primaires » (en physique) car elles sont à la base de toutes les autres couleurs.

Cette réalité physique a une base biologique. Elle basée sur l’existence des cônes et des bâtonnets et sur leurs propriétés. Quelques notions de SVT seront donc abordées dans ce chapitre.

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 Notions de Cours

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I La décomposition de la lumière blanche

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1° La décomposition de la lumière blanche.

Des gouttes d’eau peuvent décomposer la lumière blanche pour faire apparaître un arc-en-ciel.

Isaac Newton fut le premier à utiliser un prisme pour décomposer la lumière

Il remarqua qu’on pouvait aussi recomposer la lumière blanche en utilisant un autre prisme qui rassemblait les rayons lumineux pour obtenir la lumière blanche du Soleil.

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2° Le spectre lumineux de la lumière

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Ce spectre est gradué en longueur d’onde λ. En physique, chaque couleur est donc associée à une longueur d’onde.

Remarque : Reportez-vous à Wikipédia pour savoir comment cela est rendu possible par la méthode des interférences (facultatif).

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Ce spectre n’est qu’une partie du spectre des ondes électromagnétiques. Il correspond juste à la partie visible par l’œil humain.

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II Un peu de SVT – La perception des couleurs

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La vision des couleurs est due à une interprétation biologique des signaux lumineux via des capteurs organiques situés dans l’œil.

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1° Les cônes et les bâtonnets

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Leur dénomination vient de leurs formes biologiques différentes :

Le 1 est un bâtonnet, le 2 est un cône.

Les cônes sont majoritairement situés au centre de la rétine

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2° Des cônes pour 3 couleurs.

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L’évolution a amené l’espèce humaine à développer 3 types de cônes. Il s’agit là d’une sensibilité liée à leur structure chimique.

  • Les uns sont sensibles à des longueurs d’onde appartenant au domaine du bleu : On les appelle les cônes « bleu » ou cône S (pour Short = longueur d’onde courte) en anglais.
  • D’autres sont sensibles au domaine du vert : On les appelle les cônes « vert » (ou M).
  • D’autres sont sensibles au domaine du Rouge : On les appelle les cônes « rouge » (ou L).

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Remarque : les bâtonnets ne différencient pas les couleurs, par contre ils sont plus sensibles et s’activent même aux faibles intensités lumineuses. Ils facilitent la vision nocturne (en noir et blanc).

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3° Sensibilité relative des différents cônes de l’œil humain

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Mécanisme : Lorsque l’œil reçoit un rayon lumineux bleu, le cône « bleu » y est sensible et il envoie un influx nerveux au cerveau qui, lui, interprète cette information comme du bleu.

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4° Des sensibilités différentes pour chaque personne

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La biologie fait que nous n’avons pas tous le même pouce. Pourquoi en serait-il différemment pour nos yeux ?

Voici un exemple d’œil dont l’un des cônes a une sensibilité différente, liée à sa composition chimique (voir ADN) légèrement différente.

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Le cône « rouge » et le cône « vert » se chevauchent légèrement. Il y a une confusion possible. On parle de daltonisme.

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5° L’interprétation des autres couleurs – Exemple du Jaune

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Lorsque nous observons une lumière jaune, les cône « rouge » et les cônes « vert » sont activés ensemble :

En effet, cette longueur d’onde appartient à chacun de leur domaine de sensibilité comme indiqué sur le schéma ci-dessous :

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Les influx nerveux « rouge » et « vert » sont envoyés simultanément au cerveau.

Celui-ci interprète cette superposition d’influx nerveux comme correspondant à du jaune.

Remarque : Il en va de même pour toutes les autres couleurs ou nuances de couleurs.

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III La synthèse additive des couleurs

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Définition préalable : Pour des raisons biologiques (voir annexe) et physiques (voir collège), « les 3 couleurs Bleu, Vert et Rouge sont appelées « couleurs primaires » en physique. »

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1° Le montage réalisant la synthèse additive des couleurs.

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La lumière provenant de 3 projecteurs de lumière primaire, On observe les couleurs qui sont obtenue lors de la superposition des faisceaux lumineux.

Cliquez sur le lien suivant pour réaliser vous-même la « Synthèse additive des couleurs« 

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On voit alors apparaître le Jaune, le Cyan et le Magenta aux endroit où les faisceaux des 3 couleurs primaires se superposent. Ces 3 couleurs seront donc appelées « couleurs secondaires ».

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2° Définition d’une couleur secondaire

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« Une couleur secondaire est obtenue en superposant les faisceaux lumineux de 2 couleurs primaires. »

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Utilisation de la symbolisation mathématique pour décrire les opérations de la synthèse additive des couleurs

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On pourra donc écrire à condition de bien comprendre ce que signifie le signe « + » (voir *Remarque ci-dessous) :

  • Rouge + Vert = Jaune ou en abrégé : R + V = J
  • Rouge + Bleu = Magenta ou en abrégé : R + B = M
  • Vert + Bleu = Cyan ou en abrégé : V + B = C
  • Vert + Bleu + Rouge = Blanc ou en abrégé : V + B + R = Blanc

*Remarque : Le signe « + » correspond ici à la superposition de faisceaux lumineux.

Le blanc ainsi obtenu, n’est pas aussi « brillant » que le blanc habituel. On l’appelle pourtant le « Blanc supérieur » (?!?).

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4° Les couleurs complémentaires

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4°1 La figure de synthèse additive des couleurs

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4.2° Autres façon de voir les superpositions de faisceaux

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Sur la figure de synthèse additive ci-dessous, on peut observer la superposition d’une couleur primaire et d’une couleur secondaire opposée

Ainsi, le blanc supérieur est obtenu à partir du Rouge quand son faisceau se superpose à la zone de couleur Cyan.

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Selon cette superposition, on écrit alors : R + C = Blanc

Ce qui se justifie aisément car C = B + V, donc R + C = R + {B + R} = Blanc

On peut écrire de même : V + M = Blanc

Et encore : B + J = Blanc

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4.3° Définition d’une couleur complémentaire.

« Une couleur complémentaire est la teinte qui manque à une couleur pour que leur superposition donne le Blanc »

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5° Le cercle chromatique

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Lorsqu’on incurve le spectre de la lumière blanche, gradué en longueur d’onde, jusqu’à en faire un cercle, on obtient approximativement ceci :

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Le cercle chromatique fait apparaître 2 couleurs complémentaires en positions diamétralement opposées.

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Ce cercle permet d’identifier la couleur complémentaire de n’importe quelle couleur. Par exemple, le bleu-violet est complémentaire du jaune-vert.

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IV La synthèse soustractive des couleurs

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Principe : La synthèse soustractive consiste à retirer les couleurs une à une. Il faut donc partir d’une source « riche » en couleur, par exemple, un projecteur blanc.

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1° Le montage réalisant la synthèse soustractive des couleurs.

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La lumière provenant d’un projecteur de lumière blanche, traverse plusieurs filtres rectangulaires qui lui retirent progressivement des couleurs. On observe les couleurs qui traversent le dispositif pour parvenir à nos yeux ou sur un écran.

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2° Le résultat de la superposition de filtres colorés de couleurs secondaires.

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Cliquez sur le lien suivant pour réaliser vous-même la « Synthèse soustractive des couleurs« 

On voit alors apparaître le Rouge, le Vert et le Bleu aux endroit où se superposent les filtres. On retrouve ainsi les couleurs primaires.

On remarque, au centre, que la zone de superposition des 3 filtres donne le noir. On peut donc utiliser une écrire mathématique correspondante à condition maîtriser la signification particulière du signe « + » (voir *Remarque ci-dessous)

Blanc + {« filtre jaune »} + {« filtre cyan »} + {« filtre magenta »} = Noir

*Remarque de notation : L’écriture + {« filtre coloré »} correspond ici à l’interposition d’un « filtre coloré » sur le trajet de la lumière.

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3° Le rôle d’un « filtre coloré ».

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3.1° Cas simple d’un filtre d’une couleur primaire : Exemple d’un « filtre vert ».

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Il faut d’abord remarquer qu’un « filtre vert » apparaît Vert par transparence.

On peut donc considérer qu’un « filtre vert » laisse passer le Vert et stoppe les autres couleurs.

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On pourra annoter ce schéma en utilisant le fait que la lumière blanche (=blanc supérieur) est composée des 3 couleurs primaires : Blanc = R + V + B.

On peut donc ainsi schématiser l’opération effectuée par le « filtre vert » par :

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Les panneaux « Stop » sur le filtre, indiquent les couleurs qui sont arrêtées par le « filtre vert ».

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Interprétation : Le « filtre vert » liasse passer le Vert. Il apparaît donc vert par transparence. Le Bleu et le Rouge sont arrêtés, ce qui correspond à arrêter la couleur combinée Magenta = B + R.

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3.2° Cas d’un filtre d’une couleur secondaire – Exemple : Le filtre jaune

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Interprétation : Le « filtre jaune » laisse passer le Vert et le Rouge. Il apparaît donc jaune par transparence.  Le « filtre jaune » et arrête sa couleur complémentaire qui est le Bleu.

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4° Filtration des autres couleurs.

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Cette règle est générale comme vous le montre les images ci-dessous :

Une animation vous permet d’expérimenter vous-même ces situations. Pour y accéder, cliquez sur une des images ci-dessus. (crédit Alain Rétière)

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5° Énoncé de la règle d’opération d’un filtre coloré :

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« Un filtre coloré laisse passer sa propre couleur et arrête sa couleur complémentaire. »

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6° Application de la règle de filtration à la figure de synthèse soustractive des couleurs

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On vérifie bien que les règles de filtrations permettent d’obtenir la figure de la synthèse soustractive rappelée ci-dessous :

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7° Écritures correspondantes utilisant un formalisme mathématique

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On peut résumer cette figure en utilisant des écritures sous forme mathématique à condition de bien comprendre ce que signifie l’écriture «+ {« filtre coloré »}» et le signe « – » (voir *Remarque ci-dessous) :

  • Blanc + {« filtre vert »} = Blanc + {(-M)} = (B+R+V) + {(-R) + (-B)} = V
  • Blanc + {« filtre bleu »} = Blanc + {(-J)} = (B+R+V) + {(-V) + (-R)} = B
  • Blanc + {« filtre Rouge »} = Blanc + {(-C)} = (B+R+V) + {(-V) + (-B)} = R
  • Blanc + {« filtre jaune »} = Blanc + {(-B)} = (B+R+V) + (-B) = R + V = J
  • Blanc + {« filtre cyan »} = Blanc + {(-R)} = (B+R+V) + (-R) = B + V = C
  • Blanc + {« filtre magenta »} = Blanc + {(-V)} = (B+R+V) + (-V) = R + B = M

*Remarque : L’écriture «+ {« filtre coloré »}»  signifie qu’on a interposé un filtre coloré sur le trajet de la lumière.

Le signe  » –  » correspond à l’absorption d’une couleur par le filtre.

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8° Superposition de filtres

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Il suffit alors d’enchainer les écritures précédentes pour obtenir le résultat de la superposition des filtres colorés.

  • Exemple : Blanc + {« filtre magenta »} + {« filtre jaune »} = Blanc + {(– V) + (– B)} = (B+R+V) – V – B = R
  • Exemple : Blanc + {« filtre magenta »} + {« filtre cyan »} = Blanc + {(– V) + (– R)} = (B+R+V) – V – R = B
  • Exemple : Blanc + {« filtre jaune »} + {« filtre cyan »} = Blanc + {(– B) + (–R)} = (B+R+V) – B – R = V
  • Exemple : Blanc + {« filtre magenta »} + {« filtre cyan »} + {« filtre jaune »} = Blanc + {(– V) + (– R) + (– B)} = 0 (*)

*Remarque sur le noir : On retrouve bien ici la conception du noir en physique, comme une absence de lumière.

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1ere partie : Application du cours – L’utilisation des synthèses additives et soustractives des couleurs

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I La projection de cinéma avec un projecteur trichrome.

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Ce projecteur est en fait un triple projecteur en 3 couleurs. Remarquez l’emplacement pour les 3 bobines de film : Un film en bleu, un film en rouge et un film en vert. Ce procédé de projection utilise donc la synthèse additive des couleurs.

Cliquez sur l’image ci-dessous pour accéder à l’animation correspondante

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Remarque : Les couleurs intermédiaires peuvent être obtenues en faisant varier l’intensité des faisceaux lumineux grâce aux curseurs.

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II Un écran LCD est fabriqué à base de pixels

Chaque pixel contient 3 sous-pixels : un rouge, un vert et un bleu.

Lorsque les 3 sous-pixels sont allumés à pleine puissance, l’œil perçoit une lumière blanche.

Un écran d’ordinateur ou de portable utilise donc la synthèse additive des couleurs.

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III L’imprimante

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Elle utilise 3 couleurs : Le cyan, le magenta et le jaune. Elle utilise donc la synthèse soustractive.

Remarque : Une cartouche de noir (moins chère) est ajoutée pour éviter d’utiliser les 3 couleurs pour écrire du texte noir.

Cliquez sur l’image ci-dessous pour accéder à l’animation correspondante

Remarque : Les couleurs intermédiaires peuvent être obtenues en faisant varier l’intensité des faisceaux lumineux grâce aux curseurs.

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IV Pourquoi dit-on que le bleu et le jaune sont des couleurs primaires en peinture ?

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Chacun sait qu’on nous apprend en peinture à fabriquer du vert en mélangeant un peu de « bleu » dans beaucoup de « jaune ». Mais qu’en pense le physicien ?

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D’après l’image ci-dessus (Cliquez pour accéder à l’animation correspondante), le bleu utilisé en peinture pour obtenir un vert de longueur d’onde d’environ 550 nm doit donc s’apparenter au cyan.

Les nombreuses teintes de cyan font que plusieurs mélanges donneront différentes teintes de vert, mais là, c’est le domaine de l’art…

La peinture utilise donc la synthèse soustractive.

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V La vision des objets colorés

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1° Pourquoi un poivron rouge apparaît-il rouge ?

D’après ce schéma où on applique les règles précédentes, un poivron rouge apparait rouge en lumière blanche car il absorbe le bleu et le vert.

Remarque sur la conservation de l’énergie :

L’absorption de couleur provoque un échauffement du poivron. C’est pour cette raison qu’il vaut mieux s’habiller en blanc sous le soleil si on ne veut pas trop souffrir de la chaleur.

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2° Pourquoi un citron jaune apparaît-il jaune en lumière blanche ?

D’après ce schéma où on applique les règles précédentes, un citron jaune apparait jaune en lumière blanche car il absorbe sa couleur complémentaire qui est le bleu.

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3° De quelle couleur apparait un citron jaune en lumière magenta ?

Le citron jaune absorbe toujours sa couleur complémentaire (= B). Il ne reste donc plus que le rouge. Le citron apparaîtra donc rouge en lumière magenta.

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4° La tomate aux 5 couleurs

En lumière verte, la tomate rouge absorbe le rouge : Elle devrait apparaitre noire. Cet effet est mieux rendu sur la photo avec l’éclairage bleu où elle apparaît quasiment noire.

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VI Les colorants – L’absorption des couleurs : Exemple de la solution de permanganate de potassium.

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1° Observons la couleur de la solution de permanganate de potassium.

2° Quelle est donc la couleur absorbée ?

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D’après la règle énoncée précédemment, elle doit donc absorber sa couleur complémentaire qui, d’après le cercle chromatique ci-dessus, est le vert.

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3° Opération sur les couleurs

On peut représenter l’absorption du vert par le permanganate sur le schéma ci-dessous :

On peut donc utiliser une écrire mathématique correspondante à condition maîtriser la signification particulière du signe « + {filtre} » et du signe « – » (voir *Remarques ci-dessous).

Blanc + {filtre magenta} = Blanc + (- V) = (B+R+V) – V = B + R = M

*Remarque : L’écriture « + {filtre} » correspond ici à l’interposition d’un « filtre coloré » sur le trajet de la lumière. On pourra aussi utiliser l’écriture [- Couleur], pour signifier la filtration d’une couleur qui est absorbée lorsqu’on traverse une solution colorée.

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4° Observons le spectre de la lumière transmise et le profil spectral correspondant :

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Sur le spectre, on observe une « bande d’absorption » noire dans de domaine du vert.

Cette observation est confirmée par le profil spectral, qui indique que l’intensité lumineuse transmise « s’effondre » dans le domaine du vert.

La combinaison des couleurs restantes redonne la couleur apparente de la solution. Ici, le bleu et le rouge sont majoritaires, la couleur obtenue par synthèse additive est donc le magenta.

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2eme partie : Les conséquences de la vision en couleur

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I La peinture des pointillistes

Ci-dessous, un tableau de Georges Seurat intitulé « Un dimanche après-midi à l’ile de la grande jatte » (1884 – 1186)

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La technique des pointillistes consistait à poser sur la toile une multitude de petit point de couleurs.

Pour un observateur assez distant de la toile, les couleurs de ces points se mélange sur la rétine et la couleur perçue résulte donc de la synthèse additive.

L’intérêt de ce type de peinture est sa grande luminosité.

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II Le disque de Newton

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Cliquez sur l’image ci-dessous pour voir la vidéo correspondante

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Interprétation de la vision du disque de Newton en rotation

Lorsque le disque tourne très vite, les images de plusieurs secteurs colorés se mélange dans l’œil.

Pour en savoir plus…

Selon Wikipédia : « La persistance rétinienne ou persistance de la vision est le phénomène attribuant à l’œil une image rémanente durant 125 de seconde sur la rétine. Selon la loi de Ferry-Porter 1, le seuil critique de fusion du papillotement est la fréquence à laquelle un stimulus visuel discontinu est perçu comme complètement continu.

Pour comprendre… Un peu de chimie de la vision :

Notre œil capture des images en permanence et ce processus est très rapide mais pas infiniment rapide car il relève d’un processus chimique. Il faut savoir que l’influx nerveux émis par un cône provient d’une modification d’une molécule appelée le « rétinal » qui passe d’une forme stable (rétinal-Z) à une forme « excitée » (rétinal-E) sous l’action d’un rayon lumineux. Le processus est « remis à zéro » (retour au rétinal-Z) sous l’action d’une enzyme qui agit en 1/25eme de seconde environ. Pendant ce laps de temps, une image dite « rémanente » reste imprimée sur la rétine.

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III La vision en négatif

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Pour commencer, il faut fixer le point rouge présent sur le nez de la femme pendant une trentaine de secondes. Attention, il est impératif de bien porter votre attention sur cet élément… et uniquement sur ce dernier.

Ensuite, il faudra rapidement détourner votre regard en direction d’un mur blanc et cligner des yeux rapidement. Là, si tout se passe bien, vous devriez voir subitement apparaître le portrait de la femme, cette fois sans l’effet négatif.

Interprétation :

Pendant 30 s, vous avez demandé à votre œil de fabriqué un influx nerveux (par exemple rouge). L’enzyme qui permet de faire fonctionner le cône activé à été beaucoup consommée. Lorsque vous regarder ensuite un mur blanc, cette couleur sera « manquante » le temps que votre cône surexploité retrouve toute ses facultés. La zone de l’œil qui voyait du rouge sera plus efficace pour restituer le vert et le bleu. Vous verrez une image en négatif pendant quelques secondes.

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 Exercices et activités possibles

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Un signe (*)  ou (#) indique qu’une indication ou un rectificatif est apportée ci-après.

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1° Les activités proposées

Faire l’activité « Le clown en 7 couleurs » (n’est pas dans le livre).

Pour cela, vous devez télécharger les fichiers suivants. Ils sont accessibles en cliquant sur le nom des fichiers suivants : Le protocole de l’activitéLe clown en 7 couleurs – L’écran cyan – L’écran magenta – L’écran jaune – L’écran vert – L’écran rouge – L’écran bleu.

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2° Les exercices

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Données : Pour tous les exercices on pourra utiliser la figure de la synthèse additive suivante :

Convention d’écriture : Les lettres R, V et B désigneront les couleurs rouge, verte et bleue

  • Exercices d’application directe p 394 : n°25 – n°27 et n°40

Entrainez-vous, leurs corrigés sont déjà accessibles dans la partie « Corrigés des exercices » au bas de cette page.

  • Exercices d’approfondissement p 394 et suivantes :  n°28(#) – n°37– n°39 – n°45
  • Exercices de type « problème » identique à l’exercice résolus p 396 et 397 : n°34 et n°36.

#Ex28_Indication : On supposera que les filtres ne réalisent que l’opération qui est visible sur les schémas.

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 Bilan

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Cliquer sur le lien suivant pour accéder à « L’essentiel du chap 19 »

Cliquer sur le lien suivant pour accéder à une Synthèse des activités du chapitre.

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 Corrigés des exercices et des activités

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Corrigés des exercices d’application directes :

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 25 »

Lien pour accéder au « Corrigé en vidéo de l’ex 27 »

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 40 »

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Indication : Les liens suivants ne sont actifs que lorsque le chapitre, ou une partie de chapitre, est terminé.

Corrigés des activités :

Lien pour accéder aux réponses de l’activité « Le clown en 7 couleurs »

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Corrigés des exercices d’approfondissement :

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 28 »

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 37 »

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 39 »

Lien pour accéder au « corrigé de l’ex 45 »

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Corrigés des exercices résolus :

Cliquer sur le lien suivant pour accéder au « Corrigé de l’exercice 34 – identique à l’ex résolu ».

Cliquer sur le lien suivant pour accéder au « Corrigé de l’exercice 36 – identique à l’ex résolu ».

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