Tétrabox NOTICE. PIERRON - ASCO & CELDA CS SARREGUEMINES Cedex

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1 Tétrabox NOTICE Retrouvez l ensemble de nos gammes sur : PIERRON - ASCO & CELDA CS SARREGUEMINES Cedex France Tél. : Fax : education-france@pierron.fr

2 Présentation 1 - Introduction Cet ensemble offre la possibilité d expérimenter un large domaine de l Optique qui met en jeu les différentes sources lumineuses, la couleur des objets et la propagation rectiligne de la lumière. Ainsi, on peut : Aborder les notions physiques de source primaire, source secondaire ou objet diffusant, lumière incidente, lumière diffusée. Montrer une source de lumière blanche ou des sources de lumière colorée (semblable aux vitraux). Montrer que la couleur d un objet dépend de la lumière qu il reçoit. Établir la double condition pour qu un objet soit visible par l œil d un observateur. Observer la nature de l image d un objet obtenue à l aide d une chambre noire et l interpréter en utilisant la propagation rectiligne de la lumière. Montrer comment on passe de la chambre noire à l appareil photo (à objectif fi xe ou à souffl et). 2 - Contenu de l emballage L ensemble de composants décrit dans la composition ci-après Une notice

3 Composition (1) : Boîte : Chambre noire (9) : Filtres (x6) (3 couleurs primaires ; 3 secondaires) (2) : Source à LED haute luminosité et son alimentation (10) : Boule blanche (3) : Pied pour source à LED (11) : Fond noir (carré 20 x 20 cm) (4) : Source lumineuse et son boîtier pour piles (12) : Lettre «F» (5) : Socle (pour pied (3) ou LED (2)) (13) : Accessoire à diaphragmes (5 trous : Ø 1 à 3 mm) (6) : Cache-ampoule (14) : Carte-Texte (7) : Écran dépoli (15) : Cartes (1 blanche + 6 couleurs +1 à trouer) (8) : Lentille (x2) : +50 mm et +100 mm Montage Le dispositif est immédiatement prêt à l emploi. Il suffi t d utiliser les composants selon l expérimentation à mener : Diffusion de la lumière et couleur d un objet. Recherche des conditions de vision d un objet. Observation de l image donnée par une «caméra obscura». Passage de la caméra obscura à l appareil photographique. La source à LED, grâce à sa haute luminosité, présente l avantage de pouvoir réaliser de nombreuses expériences en lumière ambiante. Elle est munie de deux pieds verticaux, un grand et un petit, opposés. On peut ainsi avoir deux positions pour la LED, par rotation de 180 : une position haute : grand pied à positionner dans (3) + (5) ; une position basse : petit pied à insérer seulement dans (5). Elle possède un porte-diapositive pour insérer la lettre-diapositive F. L utilisation de la source lumineuse (4) nécessite 3 piles (1,5 V de type LR6 ou AA) non fournies. Un interrupteur situé sur le boîtier permet facilement de l alimenter ou non. 3

4 Utilisation! Tout au cours des expérimentations, ne pas regarder directement ou diriger vers autrui la source à LED haute luminosité (2). 1 - Sources lumineuses et couleur d un objet Le nom de la couleur associé aux objets ci-dessous est celle de l objet observé en lumière blanche Matériel nécessaire Source à LED (2), grand pied dans (3) + (5) Boîte noire (1) Boule blanche (10) Cartes (15) : blanche + colorées (rouge, vert, bleu, magenta, cyan, jaune) Filtres (9) : 3 couleurs primaires et 3 secondaires Petit écran blanc sur pied (non fourni) 1.2. But de l expérience Il s agit : de travailler sur les notions physiques de source primaire, source secondaire (ou objet diffusant), lumière incidente, lumière diffusée ; de montrer l existence de diverses sources lumineuses (blanche, colorées) en relation avec la couleur des vitraux ; de montrer que la couleur d un objet dépend de la lumière qu il reçoit Mode opératoire L expérimentation peut être menée en plusieurs étapes Expérience 1 Tout le matériel est sur la table, éclairé directement par la source (lumière blanche). Observer tous les objets pour : introduire les notions de source primaire, source secondaire, lumière incidente, lumière diffusée ; interpréter la couleur de chaque objet Expérience 2 : Sources primaires (blanche et colorées) On utilise la source à LED et les fi ltres. On s intéresse à la lumière blanche et aux lumières colorées. Allumer la source lumineuse

5 [Utilisation] Observer à l évidence que la lumière émise est blanche : un écran blanc peut faciliter les observations. Placer un fi ltre coloré sur le support-diapo de la source (équivalent à un morceau de vitrail) et observer la couleur de la lumière qui émerge du fi ltre : un écran blanc ou la carte blanche peut compléter l observation. Faire de même avec les autres fi ltres. Interpréter le rôle du fi ltre sur la lumière blanche. Illustration : Lumière blanche Lumière bleue Lumière jaune Expérience 3 : Sources primaires et couleur d un objet On utilise la source à LED et les fi ltres. On s intéresse à la couleur d un objet selon la lumière colorée qu il reçoit. Les cartes colorées servent d objets et sont éclairées par les lumières colorées. Elles permettent de faire des prévisions sur la couleur qui sera perçue dans l absolu (fi ltres et cartes de couleurs primaires et secondaires, supposés «parfaits»). Allumer la source lumineuse. Observer la couleur d une carte ainsi éclairée. Ajouter un fi ltre (primaire ou secondaire) sur le support-diapo de la source et observer à nouveau la couleur de la carte ainsi éclairée Interpréter le résultat. Illustration : Carte blanche et carte cyan en lumière blanche Carte blanche et carte cyan en lumière jaune Dans ce dernier cas, en lumière jaune (rouge + vert), la carte cyan (vert + bleu) est perçue verte : elle absorbe le rouge et diffuse le vert. 5

6 Utilisation Expérience 4 : Synthèse soustractive des couleurs Allumer la source à LED et placer le fi ltre coloré jaune (par exemple). Observer la lumière émise sur un écran blanc. Retirer le fi ltre et le remplacer par un fi ltre coloré cyan (par exemple). Observer la lumière émise par l écran. Utiliser les deux fi ltres superposés et observer la lumière émise par l écran. Interpréter le résultat. Illustration : Lumière jaune Lumière cyan Lumière verte Expérience 5 : Sources secondaires et Couleur d un objet La boule est au fond de la boîte noire ; la source primaire (2) n éclaire pas. Déterminer les objets qui sont visibles ou non. Interpréter les résultats (à la limite, réaliser l obscurité pour conforter l interprétation). La boule est au fond de la boîte noire ; la source primaire (2) éclaire. Pour une observation contrastée du phénomène, travailler dans des conditions d obscurité convenables : la boule blanche doit apparaître sombre dans la boîte ; sinon, cela veut dire que la lumière ambiante parasite l observation. Lors des observations, on sera vigilant au fait que l observateur lui-même peut aussi diffuser de la lumière parasite. Diriger le faisceau de lumière blanche de la source primaire en direction de la boîte noire, légèrement au-dessus, en évitant qu il y ait un éclairage indirect de l intérieur de la boîte. Choisir un écran diffusant, carte blanche ou colorée. Le placer en appui sur le rebord du cube. L incliner de façon à ce que la lumière diffusée éclaire la boule placée au fond du cube. Observer alors la couleur de la boule, initialement blanche en lumière ambiante

7 [Utilisation] Illustration de la diffusion de la lumière : par un écran bleu par un écran vert par un écran magenta 2 - Conditions de vision d un objet 2.1. Matériel nécessaire Source (4) alimentée par les 3 piles Cache-ampoule (6) Boîte noire (1) Carte avec du texte (14) jouant le rôle d objet Fond noir (11) Carte blanche trouée (15) à insérer dans la boîte. À préparer selon le modèle ci-dessous : Délimiter un carré 10 cm x 10 cm et réaliser un trou de Ø 4 mm au centre du carré. Ce carré ira se plaquer au fond de la boîte noire : trou contre trou. Plier la carte en L au niveau du côté supérieur du carré. La languette (10 x 5 cm) permet de retirer facilement la carte. Ajuster au besoin la largeur de la carte de façon à pouvoir l introduire facilement dans la boîte. Prévoir éventuellement un peu de «gomme-fi x» pour maintenir la carte en place. 7

8 Utilisation 2.2. But de l expérience Il s agit d établir la double condition pour qu un objet soit visible par l œil d un observateur : l objet doit être lumineux (être une source primaire ou une source secondaire) ; la lumière émise par cette source doit parvenir à l œil de l observateur Mode opératoire et exploitation Il est conseillé de travailler en lumière ambiante. Les observations indiquées dans le document correspondent à cette situation. L expérimentation consiste à placer une source lumineuse (une primaire et une secondaire) dans la boîte noire et à rechercher à quelles conditions elle est visible pour un observateur extérieur qui regarde au travers du trou central de la boîte Condition de vision d un objet : exemple d une source primaire Expérience 1 : Source primaire et non alignement œil-trou-source Placer le fond noir (11) sur le plan de travail. Placer la source lumineuse (4) éteinte sur le fond noir. Couvrir la source avec la boîte de façon à ce que la source soit dans un des coins de la boîte Alimenter la source lumineuse. Regarder l intérieur de la boîte au travers du trou avec un œil placé à proximité et à la verticale du trou (10 cm environ) ; résultat. Aucune lumière n est visible : le fond apparaît noir (ou sombre). En fait dans l obscurité «parfaite», un peu de lumière peut sortir car il subsiste toujours un peu de diffusion parasite de la lumière (parois quelque peu réfl échissantes). Ce qui est atténué en travaillant en lumière ambiante. Expérience 2 : Source primaire et alignement œil-trou-source Reprendre la situation expérimentale précédente et chercher la bonne position d observation au travers du trou pour que l on puisse voir directement la lampe. Conclure sur la condition de visibilité d un objet lumineux (source primaire). Pour voir l objet lumineux, il faut aligner : œil - trou - source lumineuse. En gardant la position précédente d observation, éteindre la lumière pour constater à l évidence que la source n est plus visible et aboutir à la double condition de vision d un objet. Pour être visible, un objet doit être lumineux (ici source primaire) et sa lumière doit parvenir à notre œil

9 [Utilisation] Condition de vision d un objet : Exemple d une source secondaire (Carte- Texte) Placer le fond noir (11) sur le plan de travail. Placer la Carte-Texte (14) sur le fond noir. Placer la source lumineuse (4) éteinte, recouverte de son cacheampoule (6) sur la Carte-Texte, comme ci-contre. Couvrir la source avec la boîte : la source doit se trouver dans le coin de la boîte ; le bord de la boîte coïncide avec le trait horizontal de la Carte-Texte. Regarder l intérieur de la boîte au travers du trou avec un œil placé à proximité et à la verticale du trou (10 cm environ) ; résultat. Faire de même après avoir allumé la lampe. On n observe rien : le texte n est pas visible. Refaire la même observation mais après avoir fi xé la carte blanche trouée (15) à l intérieur de la boîte : veiller à ce que les 2 trous, boîte et carte, coïncident. Un peu de gomme-fi x peut faciliter son maintien. Le texte devient alors visible. L écran a diffusé la lumière en particulier vers le texte. Déterminer à quelle condition on peut lire tout le texte. Le texte est lisible en déplaçant le regard : d où alignement œil - trou - caractères du texte. En déduire la double condition de vision d un objet. Il faut que le texte, source lumineuse secondaire, reçoive de la lumière (ici par un écran diffusant). Il faut que la lumière émise par le texte arrive à l œil : le texte, le trou et l œil doivent être alignés. Ce qui induit la propagation rectiligne de la lumière. De plus, on constate qu il faut déplacer le regard pour pouvoir lire le texte : sa lecture est limitée par la possibilité ou non d aligner œil-trou-texte, son éclairement ou non. Remarque : On peut évidemment faire la même expérience en utilisant directement la lumière émise par la lampe (sans cache-ampoule). Dans le cas précédent, il est intéressant de mettre en évidence la diffusion de la lumière par un écran blanc. 9

10 Utilisation 3 - Formation de l image d un objet avec une chambre noire («caméra obscura») 3.1. Matériel nécessaire Source à LED (2), petit pied dans socle (5) Lettre «F» (12) à insérer dans le supportdiapo de la LED Chambre noire (1) Accessoire à diaphragmes (13) Écran dépoli (7) 3.2. But de l expérience Il s agit : d observer la nature de l image donnée par un objet lumineux sur l écran dépoli d une chambre noire («ancêtre» de l appareil photographique) selon la position de l objet, la position de l écran, le diamètre de l ouverture ; d interpréter l observation en exploitant la propagation rectiligne de la lumière Mode opératoire et exploitation L utilisation de la source à LED haute-luminosité permet de travailler en lumière ambiante. Attention de ne pas la regarder ou la diriger directement vers les yeux. Moins la luminosité ambiante est importante, plus le contraste est grand. L expérience consiste à placer un objet lumineux (Lette «F») en face du trou de la chambre noire équipée d un écran dépoli sur la face opposée au trou Réglage initial Utiliser la boîte noire munie : de son accessoire à diaphragmes (glissé dans le support, du côté de la face avant trouée), de l écran dépoli positionné au bord de l ouverture

11 [Utilisation] Placer la source lumineuse sur son socle en utilisant le petit pied et l approcher du trou de la chambre noire (aux environs de 10 cm, par exemple). Placer le plus petit trou (Ø 1 mm) de l accessoire (13) en face du trou de la boîte noire. Allumer la source avec la lettre «F» dans le support-diapositive : source-objet Expérience 1 : Nature de l image obtenue sur l écran. Observer la nature de l image de la lettre «F» ainsi obtenue sur l écran. On observe une image renversée sur l écran Expérience 2 : Influence de la position de la source-objet À partir du réglage initial, observer comment évolue l image formée sur l écran dépoli si on éloigne (ou rapproche) la source-objet de la boîte noire. L image est d autant plus grande que l objet est proche du trou Expérience 3 : Influence de la position de l écran à l intérieur de la boîte À partir du réglage initial, observer comment évolue l image formée sur l écran dépoli si on avance l écran à l intérieur de la boîte noire. L image est d autant plus petite que l écran est proche du trou Expérience 4 : Influence du diamètre du trou du diaphragme À partir du réglage initial, observer comment évolue l image formée sur l écran dépoli selon le diamètre du trou : il suffi t de faire coulisser l accessoire à diaphragmes de façon à changer le trou en regard de celui de la boîte noire. Le trou est bien positionné si, à chaque fois, on observe l image de «F» au même endroit sur le dépoli, avec un maximum de luminosité.! Un mauvais positionnement (trous non en face l un de l autre) fausse l interprétation de l expérience. De façon générale, une image est nette si à un point objet correspond un point image. Ce qui n est pas le cas ici mais ce qui est d autant mieux réalisé que le diamètre du trou est petit. Donc, l image est plus nette si le diamètre du trou est plus petit Interprétation Interpréter les résultats en schématisant les diverses situations et en utilisant la propagation rectiligne de la lumière. 11

12 Utilisation 3.4. Variante Il peut être plus concret de travailler en condition «réelle», à savoir diriger la boîte noire vers l environnement extérieur (vue d une fenêtre de classe, par exemple) et d observer l image qui se forme dans ces conditions. Cela mérite d être testé pour l élève même si c est plus délicat à réaliser. Pour une observation convenable, il faut que l image obtenue soit suffi samment contrastée : on doit avoir un objet suffi samment lumineux et observer son image dans la pénombre. 4 - De la chambre noire à l appareil photographique 4.1. Matériel nécessaire Source à LED (2), petit pied dans socle (5) Lettre «F» (12) à insérer dans le support de la LED Chambre noire (1) Accessoire à diaphragmes (13) Écran dépoli (7) Lentilles (8) : +50 mm ; +100 mm 4.2. But de l expérience Il s agit de : montrer que l on passe de la chambre noire à l appareil photographique en ajoutant une lentille convergente et observer l évolution de l image selon les deux dispositifs ; montrer le principe d un appareil photographique : à objectif fi xe : recherche de sa plage d utilisation ; à objectif réglable : formation d une image nette par la mise au point ; aborder la notion de profondeur de champ Mode opératoire et exploitation L utilisation de la source à LED haute-luminosité permet de travailler en lumière ambiante. Attention de ne pas la regarder ou la diriger directement vers les yeux. Moins la luminosité ambiante est importante, plus le contraste est grand

13 [Utilisation] De la chambre noire à l appareil photographique La chambre noire joue le rôle du boîtier de l appareil photographique. La lentille joue le rôle de l objectif. L écran dépoli joue le rôle du support photosensible. Réaliser le montage : chambre noire + lentille (+50 mm) Placer la source à une distance suffi sante pour que l image se forme sur le dépoli placé à l intérieur de la boîte (distance supérieure à 10 cm environ). Rechercher précisément la position de l écran dépoli pour observer une image nette. Enlever la lentille en veillant à garder les mêmes réglages ; observer l image donnée par la chambre noire, sur l écran resté en place. En déduire l intérêt de la lentille. La lentille permet d obtenir une image nette sur l écran dépoli Principe de l appareil photographique à objectif fixe Le boîtier et l objectif constituent un ensemble fi xe qui ne permet aucun réglage. Dans ces conditions, il n est pas possible d obtenir une image nette si l objet est à une distance quelconque. Malgré tout, il est possible de trouver des conditions acceptables. Avec la boîte utilisée (10 x 10 x 10 cm), une lentille convergente +100 mm est particulièrement bien adaptée pour obtenir une image nette sur l écran dans le cas particulier d un objet à l infi ni. Il reste à trouver la distance en deçà de laquelle la netteté de l image de l objet ne peut plus être acceptable. Ce qui défi nit alors l étendue de la plage utile de ce type d appareil photo. Réaliser la maquette de l appareil photographique : chambre noire + dépoli au bord de l ouverture + trou (Ø 3 mm) + lentille (+100 mm) Placer la source à «l infi ni» (2 m peut être une première approche convenable). Observer la nature de l image. Rapprocher le boîtier de la source et observer en même temps l image sur le dépoli (resté à la même place) pour déterminer les limites d utilisation de ce type d appareil photographique. À noter le côté subjectif de l observation qui rend l expérimentation délicate car liée à l appréciation de la netteté de l image obtenue ; d où une incertitude de mesure relativement grande. 13

14 Utilisation Remarque : À titre indicatif, on pourrait apprécier qu en deçà de 50 cm, l image n est plus nette. On peut donc estimer que ce type d appareil photo est utilisable entre 50 cm (environ) jusqu à l infi ni. Variante Comme précédemment (.3.4.), il peut être plus concret de travailler en condition «réelle», à savoir diriger le boîtier muni de son objectif (+100 mm) vers l environnement extérieur (vue d une fenêtre de classe, par exemple) et d observer l image qui se forme dans ces conditions. Pour une observation convenable, il faut que l image obtenue soit suffi samment contrastée. D où, avoir un objet suffi samment lumineux et observer son image dans la pénombre. Cela n est pas sans rappeler la prise d une photo, «à l ancienne», où le photographe faisait le cadrage en étant caché sous un voile noir Principe de l appareil photograhique à soufflet (ou à objectif réglable) et intérêt Dans ce type d appareil, on modifi e la position de l écran par rapport à la lentille ou la position de la lentille par rotation de l objectif, pour obtenir une image nette sur l écran (support photosensible). Dans les deux cas, cela revient au même : à défaut de pouvoir modifi er la position de la lentille, il revient au même de modifi er la position de l écran. Réaliser la maquette de l appareil photographique : boîte noire + dépoli légèrement à l intérieur du boîtier + trou (Ø 1 mm) + lentille (+50 mm) Placer la source à une distance de 50 cm (environ) ; rechercher la position de l écran pour obtenir une image nette ; observer la nature de l image. Rapprocher le boîtier jusqu à une distance d environ 15 cm de la source ; rechercher la position de l écran pour obtenir une image nette, nécessairement à l intérieur de la boîte. D où l intérêt du dispositif : permettre d obtenir une image nette selon son éloignement en faisant la mise au point. Rapprocher le boîtier de la source et déterminer à partir de quelle distance la mise au point n est plus possible, l écran devant rester dans la boîte

15 [Utilisation] Approche de la notion de profondeur de champ L expérimentation est plus délicate car il s agit d apprécier la netteté de l image dont les dimensions sont réduites. D où une incertitude de mesure relativement grande. Réaliser la maquette de l appareil photographique : boîte noire + dépoli placé au bord de l ouverture + trou (Ø 3 mm) + lentille (+100 mm). Placer l objet à 1,00 m environ Observer l image obtenue sur l écran. Par la suite, l écran dépoli doit rester dans cette position : au bord de la boîte. Rapprocher la boîte de l objet et observer l évolution de la netteté de l image : déterminer la position minimale d min pour laquelle l objet n apparaît plus net. Changer de diaphragme (Ø 1 mm) dans cette position et constater que l image paraît alors nette ; rapprocher à nouveau le boîtier pour chercher la nouvelle position d min en deçà de laquelle l image n apparaît plus nette. Changer à nouveau de diaphragme, en gardant cette position pour constater que l image devient fl oue. (À titre indicatif, d min est de l ordre de 50 cm et d min de l ordre de 30 cm). On montre ainsi directement que la netteté de l image est liée à l ouverture du diaphragme. Par suite, à titre indicatif, on peut dire que : pour le diaphragme de Ø 3 mm, la profondeur de champ s étend de l infi ni à 50 cm ; pour le diaphragme de Ø 1 mm, la profondeur de champ s étend de l infi ni à 30 cm. La profondeur de champ est plus grande lorsque l ouverture du trou est plus petite. 15

16 Entretien et Garantie 1 - Entretien Aucun entretien particulier n est nécessaire au fonctionnement de votre appareil. Toutes les opérations de maintenance ou de réparation doivent être réalisées par PIERRON ÉDUCATION. En cas de problème, n hésitez pas à contacter le Service Clients. 2 - Garantie Les matériels livrés par PIERRON ÉDUCATION sont garantis, à compter de leur livraison, contre tous défauts ou vices cachés du matériel vendu. Cette garantie est valable pour une durée de 2 ans après livraison et se limite à la réparation ou au remplacement du matériel défectueux. La garantie ne pourra être accordée en cas d avarie résultant d une utilisation incorrecte du matériel. Sont exclus de cette garantie : la verrerie de laboratoire, les lampes, fusibles, tubes à vide, produits, pièces d usure, matériel informatique et multimédia. Certains matériels peuvent avoir une garantie inférieure à 2 ans, dans ce cas, la garantie spécifi que est indiquée sur le catalogue ou document publicitaire. Le retour de matériel sous garantie doit avoir notre accord écrit. Vices apparents : nous ne pourrons admettre de réclamation qui ne nous serait pas parvenue dans un délai de quinze jours après livraison au maximum. À l export, ce délai est porté à un mois. La garantie ne s appliquera pas lorsqu une réparation ou intervention par une personne extérieure à notre Société aura été constatée. PIERRON - ASCO & CELDA CS SARREGUEMINES Cedex France Tél. : Fax : education-france@pierron.fr