Luxmètre

Le luxmètre est un instrument qui mesure l’éclairement, c’est-à-dire la quantité de lumière reçue par unité de surface, exprimée en lux (lx). Dans un smartphone, cette mesure est fournie par le capteur de lumière ambiante, celui qui ajuste automatiquement la luminosité de l’écran. En sciences, le luxmètre du téléphone permet d’étudier la propagation de la lumière, la loi de décroissance en 1/d² ou l’éclairage d’un lieu de travail.

Observer expérimentalement le luxmètre

FizziQ permet de suivre l’éclairement mesuré par le capteur de lumière du smartphone lorsque celui-ci est accessible, sur une plage allant de quelques lux à plus de 100 000 lux. La présence et les caractéristiques de ce capteur varient selon les appareils : sur certains modèles, la mesure n’est pas disponible ou ne progresse que par paliers.

Étapes :

• Repérer le capteur de lumière, en façade de l’appareil près de la caméra frontale, puis ouvrir la mesure d’éclairement dans FizziQ.
• Vérifier son emplacement en le masquant avec un doigt : la valeur doit chuter nettement.
• Comparer l’éclairement d’une salle de classe (quelques centaines de lux) et celui de l’extérieur en journée (plusieurs dizaines de milliers de lux).
• Approcher puis éloigner une lampe et enregistrer l’éclairement en fonction de la distance pour mettre en évidence la décroissance en 1/d².
• Incliner le smartphone face à la source : l’éclairement diminue comme le cosinus de l’angle d’incidence.

Activités scientifiques sur ce thème

• Éclairement : loi en 1/d²
• Loi de Beer-Lambert au luxmètre
• Diffusion et rétroréflexion
• Période d’un pendule : isochronisme

Prolongements possibles avec FizziQ : comparaison de l’éclairage de différentes salles avec les recommandations pour le travail sur table, ou étude de l’atténuation de la lumière par des filtres. Voir la fiche éclairement pour la grandeur mesurée.

En savoir plus

Le capteur de lumière ambiante d’un smartphone est une photodiode : la lumière qui l’atteint libère des charges électriques dans un semi-conducteur, et le courant produit, proportionnel au flux reçu, est converti en une valeur d’éclairement. Sa réponse spectrale est corrigée pour approcher la sensibilité de l’œil humain, qui est maximale dans le vert et faible aux extrémités du spectre visible.

Ce capteur est conçu pour le réglage de l’écran, pas pour la métrologie : sa justesse absolue n’est pas garantie, certains appareils ne renvoient que des paliers de valeurs, et la mesure sature en très forte lumière. Il reste très adapté à l’étude de lois physiques, qui reposent sur des comparaisons et des variations relatives. Trois précautions améliorent nettement les mesures : orienter le capteur bien en face de la source, éviter les ombres portées (celle de l’expérimentateur en premier), et soustraire l’éclairement résiduel de la pièce mesuré au préalable.

Ne pas confondre le luxmètre avec deux autres notions : la luminance, qui caractérise la brillance d’une surface vue dans une direction donnée (en cd/m²), et la « luminosité » d’un écran ou d’une image, terme courant sans définition métrologique. Par ailleurs, FizziQ utilise un autre capteur, la caméra, pour son instrument colorimètre, qui analyse la couleur de la lumière (composantes RGB, teinte, absorbance) : luxmètre et colorimètre sont complémentaires. Pour des mesures de lumière plus reproductibles, un capteur externe dédié peut être relié à FizziQ via le boîtier FizziQ Connect.

Ordres de grandeur :

• Nuit sans lune : environ 0,001 lx ; pleine lune : environ 0,25 lx.
• Rue éclairée la nuit : 10 à 20 lx.
• Salle de classe correctement éclairée : 300 à 500 lx.
• Jour couvert : environ 10 000 lx ; plein soleil : environ 100 000 lx.
• Plage typique du luxmètre d’un smartphone : de quelques lux à plus de 100 000 lx, selon le capteur.

Formule

L’éclairement est le flux lumineux reçu par unité de surface :

E = Φ / S

où :

• E : éclairement (lux, lx)
• Φ : flux lumineux reçu (lumen, lm)
• S : aire de la surface éclairée (m²)

Pour une source quasi ponctuelle d’intensité I, l’éclairement d’une surface face à la source décroît avec la distance d :

E = I / d²

et, si la surface est inclinée d’un angle θ par rapport à la direction de la lumière :

E = (I / d²) × cos θ

où :

• I : intensité lumineuse de la source (candela, cd)
• d : distance à la source (m)
• θ : angle entre la direction de la lumière et la normale à la surface

Exemples d’application

• Vérifier la loi de décroissance de l’éclairement en 1/d² avec une lampe et une règle.
• Contrôler qu’un poste de travail atteint les 300 à 500 lx recommandés.
• Comparer l’efficacité de différentes ampoules à distance égale.
• Étudier l’effet de l’angle d’incidence de la lumière, qui explique la faiblesse de l’éclairement solaire en hiver.
• Mesurer l’atténuation de la lumière par des filtres ou des solutions colorées (loi de Beer-Lambert).
• Utiliser la variation d’éclairement pour détecter les passages d’un pendule devant le capteur.

FAQ

Q : Mon smartphone peut-il servir de luxmètre ? R : Seulement si son capteur de lumière ambiante est accessible aux applications, ce qui dépend du modèle et du système. Le plus simple est de vérifier si la mesure d’éclairement apparaît dans FizziQ et si elle varie continûment quand on masque le capteur.

Q : Pourquoi la valeur évolue-t-elle par paliers sur certains téléphones ? R : Le capteur est prévu pour ajuster la luminosité de l’écran, ce qui ne demande que quelques niveaux. Certains constructeurs ne transmettent donc que des valeurs arrondies ou espacées. Pour une étude quantitative fine, il faut un appareil au capteur plus résolu ou un capteur externe.

Q : La mesure en lux de mon smartphone est-elle exacte ? R : Elle donne un bon ordre de grandeur mais n’est pas étalonnée comme un luxmètre professionnel. Les comparaisons et les variations relatives sont fiables ; une valeur absolue précise ne l’est pas sans étalonnage.

Q : Quelle différence entre le luxmètre et le colorimètre de FizziQ ? R : Le luxmètre mesure une quantité globale de lumière reçue, en lux, avec le capteur de lumière ambiante. Le colorimètre analyse la composition de la lumière (rouge, vert, bleu, teinte) avec la caméra. Le premier répond à « combien de lumière ? », le second à « quelle lumière ? ».

Concepts liés

Éclairement - Capteur de lumière - Luminance - Spectre visible - Colorimètre - Loi de l’inverse du carré - Absorbance