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De quoi est formé un arc-en-ciel?

Digital Development Team with files from Sarah Hasnain and Heidi Kavanagh.
Lisibilité
6.28

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Les arcs-en-ciel sont des exemples de la perception optique dans la nature. Nous les voyons par la réflexion et la réfraction de la lumière et de l’eau.

Les arcs-en-ciel sont, à mon avis, la plus belle partie d’une averse. La pluie en vaut la peine simplement pour cela. Je ne suis pas la seule personne à exprimer cette pensée. Les arcs-en-ciel ont apparu dans la mythologie grecque, chinoise, indienne et nordique il y a des milliers d’années.

Le savais-tu? 

L’un des plus anciens textes mentionnant un arc-en-ciel est l’Épopée de Gilgamesh, dont la rédaction se situe approximativement entre 2150 et 2000 av. J.-C.

Selon la mythologie irlandaise, les farfadets cachent leur trésor à l’extrémité d’un arc-en-ciel. Mais, comment peut-on atteindre l’extrémité d’un arc-en-ciel? C’est impossible, parce qu’il n’y a pas d’extrémité! Chaque arc-en-ciel constitue en fait un cercle complet de réflexion.

Surprenant, n’est-ce pas? Toutefois, levant le regard vers cette arche colorée en station debout sur le sol, nous ne voyons que la moitié de l’arc-en-ciel. Il te serait possible de voir le cercle complet en avion ou lors d’une escalade d’une haute montagne. C’est parce qu’étant en hauteur, tu pourrais entièrement voir la réflexion et la réfraction de la lumière qui traverse l’eau dans notre atmosphère. Examinons ces deux processus.
 

Les origines d’un arc-en-ciel

Lorsque l’eau et la lumière se rencontrent, la lumière blanche traverse l’eau et se sépare en ses couleurs. La lumière est composée de sept couleurs de base : le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu, l’indigo et le violet. La lumière se déplace sous forme d’ondes, et chaque onde correspond à une différente longueur entre ses sommets (ou ses crêtes, d’après l’appellation des scientifiques). C’est ce qu’on appelle une longueur d’onde. Chaque couleur d’un arc-en-ciel a une longueur d’onde différente. Comme l’illustre le diagramme ci-dessous, la longueur d’onde du rouge est supérieure à celle du violet.

Spectre visible illustrant les longueurs d’onde de chacune des couleurs en cause. Le spectre va du rouge foncé à 700 nm au violet à 400 nm
Spectre visible illustrant les longueurs d’onde de chacune des couleurs en cause. Le spectre va du rouge foncé à 700 nm au violet à 400 nm (©2019 Parlons sciences).

Lorsque la lumière pénètre dans une goutte d’eau, ses différentes couleurs fléchissent à des angles différents, causant leur séparation. On appelle ce processus la réfraction. Tu peux observer la réfraction chez toi en plaçant un crayon dans un bol d’eau. La lumière traverse l’eau et l’air à des vitesses et orientations différentes. Étant donné que l’air et l’eau sont des milieux différents, les pailles dans l’eau semblent courbées. Le diagramme ci-dessous illustre le même concept avec un stylo ou un crayon. 

Un crayon ou un stylo dans un bol d’eau semble courbé en raison de la réfraction
Un crayon ou un stylo dans un bol d’eau semble courbé en raison de la réfraction (Sources <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pen_in_water.jpg"> Ulflund</a>[CCO] et <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pencil_in_a_bowl_of_water.svg">Theresa_knott </a> [CC BY-SA 3.0], images extraites de Wikimedia Commons).

Le savais-tu? 

Tu peux voir des arcs-en-ciel le soir! Ce sont des arcs-en-ciel lunaires. Leur source de lumière provient de la réflexion de la lune. Ils ne sont pas aussi lumineux que les autres arcs-en-ciel, et ils se produisent beaucoup plus rarement.

Les différentes couleurs de la lumière rebondissent également à l’intérieur d’une goutte d’eau. C’est ce qu’on appelle la réflexion. Chaque goutte de pluie reflète la lumière à la manière d’une boule disco!

Le savais-tu?

Lorsque tu vois plus d’un arc-en-ciel, il s’agit probablement d’arcs-en-ciel reflétés. Ainsi, un premier arc-en-ciel se reflète dans de l’eau calme et la réfraction des rayons solaires crée un autre arc-en-ciel.

As-tu déjà remarqué que les couleurs des bandes intérieures paraissent un peu plus vives que celles des bandes extérieures? Cela s’explique par notre angle de vision de l’arc-en-ciel. C’est dans les bandes intérieures que la majorité de la lumière se reflète dans nos yeux, faisant ainsi paraître les couleurs plus vives. Simultanément, il y a de moins en moins de lumière reflétée dans les bandes extérieures de l’arc-en-ciel.

Où est l’arc-en-ciel?

Tu en sais maintenant beaucoup au sujet des arcs-en-ciel. Mais ne te lance pas immédiatement à la recherche de farfadets et de leurs trésors! Les arcs-en-ciel ne sont pas situés à un endroit précis. Leur emplacement dépend de l’angle de vue de la personne qui les regarde et de la position du soleil.

Fait intéressant, la position d’un arc-en-ciel est toujours dans la direction opposée du soleil. Par exemple, si tu as le soleil dans le dos, l’arc-en-ciel sera devant toi.

Les arcs-en-ciel sont une manifestation stupéfiante de l’optique dans la nature. Leur beauté vaut beaucoup plus qu’un trésor! 

Le savais-tu? 

Le physicien Ibn al-Haytham (965-1039) a été l’un des premiers scientifiques à proposer une explication pour les arcs-en-ciel.

 

Points de départ

Connecter et Relier

  • As-tu déjà vu un arc-en-ciel? Quand et à quel endroit l’as-tu observé?
  • Pourquoi penses-tu que les arcs-en-ciel ont été intégrés dans tant de récits folkloriques et mythologiques?
  • As-tu déjà observé les anneaux de lumière autour du soleil ou de la lune? Quel temps faisait-il alors? 

Connecter et Relier

  • As-tu déjà vu un arc-en-ciel? Quand et à quel endroit l’as-tu observé?
  • Pourquoi penses-tu que les arcs-en-ciel ont été intégrés dans tant de récits folkloriques et mythologiques?
  • As-tu déjà observé les anneaux de lumière autour du soleil ou de la lune? Quel temps faisait-il alors? 

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • De nombreuses matières sont solubles dans l’eau. Est-ce qu’un arc-en-ciel peut se former dans des circonstances autres que la pluie? Quelles choses pratiques pourrait signaler un arc-en-ciel?
  • Les arcs-en-ciel sont courants dans la mythologie de nombreuses cultures. Dans quelles cultures les arcs-en-ciel sont-ils associés aux mythes? Que représentent les arcs-en-ciel dans différents mythes?  (Remarque : Cette question peut nécessiter des recherches supplémentaires.)

Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement

  • De nombreuses matières sont solubles dans l’eau. Est-ce qu’un arc-en-ciel peut se former dans des circonstances autres que la pluie? Quelles choses pratiques pourrait signaler un arc-en-ciel?
  • Les arcs-en-ciel sont courants dans la mythologie de nombreuses cultures. Dans quelles cultures les arcs-en-ciel sont-ils associés aux mythes? Que représentent les arcs-en-ciel dans différents mythes?  (Remarque : Cette question peut nécessiter des recherches supplémentaires.)

Explorer les Concepts

  • Explore les différents types d’arcs-en-ciel qui peuvent se former.
  • Que sont un faux soleil et un halo solaire? Qu’est-ce qu’un halo lunaire? En quoi ces phénomènes s’apparentent-ils aux arcs-en-ciel ou s’en différencient-ils? (Conseil : Tu devras peut-être te livrer à des recherches pour trouver la réponse.)
  • Comment se forment les arcs-en-ciel doubles?
  • Sers-toi d’un prisme pour créer un spectre de lumière visible. Quelle est l’action du prisme sur le faisceau de lumière blanche? De quelle manière la forme du prisme influence-t-elle le spectre produit? Quelle propriété de la lumière fait en sorte que celle-ci se divise?

Explorer les Concepts

  • Explore les différents types d’arcs-en-ciel qui peuvent se former.
  • Que sont un faux soleil et un halo solaire? Qu’est-ce qu’un halo lunaire? En quoi ces phénomènes s’apparentent-ils aux arcs-en-ciel ou s’en différencient-ils? (Conseil : Tu devras peut-être te livrer à des recherches pour trouver la réponse.)
  • Comment se forment les arcs-en-ciel doubles?
  • Sers-toi d’un prisme pour créer un spectre de lumière visible. Quelle est l’action du prisme sur le faisceau de lumière blanche? De quelle manière la forme du prisme influence-t-elle le spectre produit? Quelle propriété de la lumière fait en sorte que celle-ci se divise?

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Explore quelques-unes des premières recherches scientifiques sur les arcs-en-ciel. Quelles sont quelques-unes des idées avancées au sujet de la formation des arcs-en-ciel par les premiers scientifiques qui se sont penchés sur le phénomène? 
  • Qu’est-ce que les scientifiques explorent dans le phénomène des arcs-en-ciel? Quelle serait l’utilité de ces recherches?
  • Est-ce que les scientifiques doivent attendre qu’il pleuve pour pouvoir étudier les arcs-en-ciel? Est-ce qu’ils simulent des arcs-en-ciel? Comment procèdent-ils? 

(Remarque : Tu devras peut-être faire des recherches supplémentaires pour répondre à ces questions.)

Nature de la Science / Nature de la Technologie

  • Explore quelques-unes des premières recherches scientifiques sur les arcs-en-ciel. Quelles sont quelques-unes des idées avancées au sujet de la formation des arcs-en-ciel par les premiers scientifiques qui se sont penchés sur le phénomène? 
  • Qu’est-ce que les scientifiques explorent dans le phénomène des arcs-en-ciel? Quelle serait l’utilité de ces recherches?
  • Est-ce que les scientifiques doivent attendre qu’il pleuve pour pouvoir étudier les arcs-en-ciel? Est-ce qu’ils simulent des arcs-en-ciel? Comment procèdent-ils? 

(Remarque : Tu devras peut-être faire des recherches supplémentaires pour répondre à ces questions.)

Littératie Médiatique

  • Peux-tu nommer des films ou des chansons populaires où figurent des arcs-en-ciel? Si tu ne peux pas en nommer d’emblée, lance une recherche en ligne. 
  • Que représentent habituellement les arcs-en-ciel dans l’imagerie ou en tant que symboles?

Littératie Médiatique

  • Peux-tu nommer des films ou des chansons populaires où figurent des arcs-en-ciel? Si tu ne peux pas en nommer d’emblée, lance une recherche en ligne. 
  • Que représentent habituellement les arcs-en-ciel dans l’imagerie ou en tant que symboles?

Suggestions d'enseignement

  •  
  • Cet article et les ressources associées appuient l’enseignement et l’apprentissage de la physique et des mathématiques, et peuvent être utilisés pour présenter des notions liées aux thèmes de la lumière, du spectre visible et des phénomènes optiques. Les principales notions présentées dans l’article comprennent notamment l’arc-en-ciel, la réflexion, la réfraction et la longueur d’onde.
  • Commencez l’activité d’apprentissage par un Billet d’entrée pour faire un rappel des connaissances antérieures des élèves au sujet des arcs-en-ciel. Téléchargez en formats [Google doc] et [.pdf] les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage.
  • Demandez aux élèves de lire l’article et de visionner la vidéo intégrée « Pourquoi les arcs-en-ciel sont-ils incurvés? ». 
  • À la suite de la lecture de l’article et du visionnement de la vidéo, vous pourriez demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage Diagramme de Venn – Texte et vidéo pour organiser et comparer les informations fournies dans ces deux ressources. Téléchargez les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie en formats [Google doc] et [.pdf].
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Suggestions d'enseignement

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  • Cet article et les ressources associées appuient l’enseignement et l’apprentissage de la physique et des mathématiques, et peuvent être utilisés pour présenter des notions liées aux thèmes de la lumière, du spectre visible et des phénomènes optiques. Les principales notions présentées dans l’article comprennent notamment l’arc-en-ciel, la réflexion, la réfraction et la longueur d’onde.
  • Commencez l’activité d’apprentissage par un Billet d’entrée pour faire un rappel des connaissances antérieures des élèves au sujet des arcs-en-ciel. Téléchargez en formats [Google doc] et [.pdf] les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie d’apprentissage.
  • Demandez aux élèves de lire l’article et de visionner la vidéo intégrée « Pourquoi les arcs-en-ciel sont-ils incurvés? ». 
  • À la suite de la lecture de l’article et du visionnement de la vidéo, vous pourriez demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage Diagramme de Venn – Texte et vidéo pour organiser et comparer les informations fournies dans ces deux ressources. Téléchargez les fiches reproductibles prêtes à l’emploi de cette stratégie en formats [Google doc] et [.pdf].
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Références

Harris, T. (2002, mai 28). How rainbows work. How Stuff Works.

Henderson, T. (n.d.). Reflection, refraction, and diffraction. The Physics Classroom.

Treviño, J. (2019, janvier 8). How is a rainbow formed? Popular Science.