Chapitre 1 : La lumière, sources et propagation.

Transcription

1 Chapitre 1 : La lumière, sources et propagation. Items Connaissances Acquis Qu est-ce qu une source primaire de lumière? Donner des exemples. Qu est-ce qu un objet diffusant? Donner des exemples. Quelles sont les conditions pour voir un objet? Pourquoi un LASER est il dangereux? Comment se propage la lumière? Comment modéliser la propagation de la lumière? Capacités. 311 Rechercher, extraire et organiser l information utile, observable. 314 Pratiquer une démarche expérimentale mettant en jeu des sources de lumière, des objets diffusants et des obstacles opaques. Identifier le risque correspondant à l utilisation d un LASER, respecter les règles de sécurité. Faire un schéma normalisé du rayon lumineux en respectant les conventions. I. Les sources de lumière. Une source primaire de lumière produit elle même la lumière qu'elle émet. Exemples : Les sources primaires chaudes - Le soleil et les étoiles (ext :6000 C, int : 15 M C) - Une ampoule à filament ( 2700 C) - La lave (1200 C) - La flamme d un briquet ( 200 C) Les sources primaires froides - Écran de TV ou d ordinateur. - DEL - Luciole - Néon. Documents : 3p159 Notre étoile, le soleil. 1. La lumière du Soleil est produite par des réactions thermonucléaires qui ont lieu à l intérieur de l étoile. 2. Le projet actuellement à l étude pour reproduire l énergie solaire est le projet ITER, à Cadarache en Provence. 3. L intérêt d ITER est de pouvoir disposer, dans les années futures, d une source d énergie importante ne dépendant pas du pétrole. 17p162 Sources de lumière (Incandescence et luminescence DICTIONNAIRE) 1. Incandescence : état d un corps chauffé jusqu à devenir lumineux. Luminescence : émission lumineuse produite par certains corps, sous l influence de certains rayonnements. 2. La bougie, la lampe-tempête, la lampetorche et le lustre produisent leur lumière par incandescence. L écran de télévision, le tube lumineux produisent leur lumière par luminescence. 1. La bougie (ou chandelle) est la source lumineuse à l origine de l unité d intensité lumineuse bougies éclairent autant qu une lampe. (120 1 = 120) DEL éclairent autant qu une bougie. (20 0,05 = 1). 18p162 Intensité lumineuse (le candela)

2 II. Propagation de la lumière. AE : La vision d une source lumineuse. Matériel : - Mini labo d optique - Source lumineuse (1), - 3 diapositives noires avec fente (2). - Demi feuille de papier A4 (1) Expérience 1 : (2) - Placez la source lumineuse et l écran noir opaque percé d une ouverture comme sur la figue. - Fermez le couvercle. - En tenant le mini labo d une main, cherchez avec votre voisin la condition dans laquelle vous voyez la lampe. Dans quelle condition peut-on voir la lumière émise par la lampe? Lorsque la source de lumière, la fente et l œil sont alignés. Expérience 2 : - Disposez une demi-feuille de papier A4 dans le fond de la boîte noire. - Alignez ensuite approximativement 2 fentes distantes d une vingtaine de centimètres avec la source comme sur (1) le schéma ci-contre. - Placez l œil de façon à voir la lumière émise par la source. - Cherchez l emplacement de la troisième fente afin de toujours percevoir la lumière de la source. - Relevez et dessinez ensuite la position des 3 fentes et de la source sur la demi feuille A4. (2) Questions : Comment doivent être positionnées les trois fentes pour voir la lumière émise par la source? Les 3 fentes doivent être alignées avec la source. Dessinez la troisième fente sur le schéma. Dessinez le trajet suivi par la lumière pour aller de la source à l œil Comment se propage la lumière de la source vers l oeil? La lumière se propage en ligne droite Conclusion : Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite, de la source de lumière vers l'objet éclairé. Le trajet de la lumière est modélisé par un rayon lumineux: c'est une droite munie d'une flèche qui indique le sens de propagation de la lumière.

3 Tests : 4p174 Choisis le bon dessin (rayon rectiligne) c. 5p174 Schématise (trous alignés) 11p175 Trouver la bonne position Exercices * : 13p175 Tracer des rayons lumineux 12p175 Complète un schéma (Lampe de poche) Aucun rayon issu de S ne peut pénétrer dans l oeil en O3. 15p17 5 Commenter une expérience (réfraction dans l eau) 1. Air, liquide, verre, air. 2. Ces milieux sont homogènes, car dans chacun d entre eux, la lumière se propage en ligne droite, comme on peut le constater sur le dessin. 16p176 La visée des géomètres 1. Sur la mire de gauche, on lit : 3 m ; sur celle de droite, on lit : 1,4 m. Chaque bande rouge ou blanche correspond à 20 cm, car il y en a 7 pour 1,4 m. 2. La différence entre les deux lectures correspond à la dénivellation entre les points A et B. 19p176 Alignement par visée Les rayons lumineux issus du piquet le plus éloigné (A) sont arrêtés par l autre piquet (B) et ne parviennent pas à l oeil, qui ne voit donc que le premier piquet. 3. Le troisième piquet sera placé derrière (A) et (B), de façon à ce qu en gardant l oeil au même endroit, on ne puisse pas le voir. Exercices * : 10p175 Complète un schéma 14p175 Prévoit un résultat 1. La tache lumineuse obtenue sur l écran est carrée, comme l ouverture Lorsqu on éloigne l écran, la tache grandit. Lorsqu on rapproche l écran, la tache rapetisse. 18p178 Projecteur de diapositive 1. Pour rendre visible le trajet de la lumière, on peut secouer un chiffon à poussière dans le faisceau de lumière. Les petits grains de poussière diffusent alors la lumière dans toutes les directions. 2. La longueur sera de 72 cm (20 fois plus grande). Investigations 8p174 Complète un schéma 9p174 Choisis le bon dessin c.

4 III. Les objets diffusants. AE élève : au claire de lune. Matériel : - Mini labo d optique - Source lumineuse - Boule blanche pour la Terre (2) - Ecran blanc pour la Lune (3) - Ecran noir (3) - Ecran translucide (3) a. Placer le soleil et la Terre comme sur le schéma. Quelle est la partie de la Terre où il fait jour? C est la partie face au soleil Quelle est la partie de la Terre où il fait nuit? C est celle opposée au soleil. Hachurez la partie de la Terre où il fait nuit sur le schéma ci-dessous. b. Placez la lune comme sur le schéma Qu observe-t-on, la nuit sur Terre? La terre est éclairée par la lune. c. Dessinez le trajet de la lumière qui permet de rendre compte de ce phénomène. d. Refaire la même expérience en remplaçant l écran blanc symbolisant la lune par un noir, puis par un écran translucide. Le phénomène observé précédemment se reproduit il? Non Dans quelles conditions la Lune peut elle éclairer la Terre? La lune doit être placée dans le faisceau de lumière du soleil. Documents : 4p159 La vue c est la vie. 1. Avant de prendre le volant, il faut veiller à la propreté des vitres du véhicule, afin d avoir une visibilité correcte. 2. Quand la visibilité est réduite en cas d intempéries, il faut allumer les feux de croisement. 3. La nuit, il est dangereux pour un piéton d être vêtu de couleur noire, car il existe un risque important de ne pas être vu des autres usagers. Conclusion : Un objet diffusant envoie de la lumière dans toutes les directions parce qu'il est lui-même éclairé. Un objet transparent ou noir n'est pas diffusant lorsqu'il est éclairé. Pour voir un objet, il faut que l objet soit éclairé et que l'oeil reçoive de la lumière provenant de cet objet.

5 Tests : 2p160 Identifie les sources primaires (et les objets diffusants) 1. Les sources primaires sont la flamme, le Soleil, l écran de télévision (allumé), le ver luisant, le filament de lampe et l étoile. 2. Ces sources sont primaires, car elles produisent la lumière qu elles émettent. 3p160 Distingue des sources de lumière Sources primaires : écran d ordinateur allumé ; filament de lampe allumée ; flamme de bougie ; coulée de lave. Objets diffusants : lampe éteinte ; bougie éteinte ; mur blanc. 12p161 Représente le trajet de la lumière Exercices * : 11p161 Voir la lumière (diffusion par la fumée) On voit de la fumée blanche éclairée par la lampe. La fumée joue le rôle d objet diffusant. 14p161 Explique un phénomène (Verre transparent ou translucide d une ampoule DICTIONNAIRE) 1. Transparent : au travers de quoi on peut distinguer les objets. Translucide : qui laisse passer la lumière sans permettre de distinguer la forme de objets. 2. Les ampoules en verre transparent laissent passer la lumière : les verres de ces ampoules ne sont pas des sources lumineuses. Par contre, les verres translucides des ampoules diffusent la lumière émise par le filament, donc ce sont des sources lumineuses. 16p162 Ciel lunaire (Diffusion de l atmosphère) 1. L atmosphère terrestre diffuse la lumière du Soleil dans toutes les directions, ce qui donne l impression d un «bain de lumière». Cette diffusion est plus importante dans les faibles longueurs d onde, ce qui explique la couleur bleue du ciel. 2. Sans atmosphère, le ciel paraîtrait noir, même de jour. C est ce qu illustre cette photographie diurne prise sur la Lune privée d atmosphère : le paysage diffuse la lumière solaire mais pas le «ciel». 19p162 Une citation (lumière diurne et lumière du jour) Saint Ambroise avait tort car la lumière du jour est la lumière solaire diffusée par l atmosphère. AE prof : le faisceau laser Comment faire pour voir le faisceau de lumière émis par le laser? Poussière de craie, fumée, Gouttes d eau, Cuve à eau + lait, tableau blanc Conclusion : Un faisceau de lumière est un ensemble de rayons de lumière. Pour voir un faisceau de lumière, il faut que celui-ci soit dans un milieu diffusant. Documents : 1p172 Le Laser 1. Contrairement au faisceau émis par une lampe torche, le faisceau émis par le laser est très fi n, ses bords sont parallèles et il peut parcourir de très grandes distances sans perdre de son intensité. 2. La couleur de la lumière émise par un laser dépend de la substance utilisée. 3. Le premier laser a été fabriqué en 1960 en Californie.

6 2p172 Les applications du Laser 1. On utilise le laser dans l industrie, en médecine, pour les spectacles, en technologie. 2. Le laser est moins traumatisant qu un bistouri, car il permet de ne pas ouvrir le corps pour pratiquer l intervention. Il évite les saignements. 3. Un faisceau laser transportant une grande énergie peut gravement endommager la rétine s il pénètre dans l œil. Un L.A.S.E.R peut être dangereux si la lumière qu il émet pénètre directement dans notre œil. Tests : 2p174 Choisis la bonne réponse (air, vide brouillard et poussière) b. et d. Tests : 1p174 Recopie et complète (bilan) a. diffusant. b. en ligne droite. c. rayons lumineux ; une flèche. d. rayons lumineux. e. la même que celle de l ouverture ; varie. 6p174 Dessine un faisceau de lumière On remarque que le faisceau est plus petit, ainsi que la tache obtenue sur l écran. 7p174 Prévois la forme et les dimensions d une ombre 1. La tache est rectangulaire, comme l ouverture. 2. Si on déplace l ouverture, la taille de la tache varie : elle augmente si on déplace l ouverture vers la source, elle diminue dans le cas contraire. Documents 2p158 Un scientifique remarquable 1. Aristote était un philosophe grec de l Antiquité. 2. Alhazen était à la fois astronome, médecin, philosophe et physicien. Il vécut au Moyen-Orient (en Égypte) durant le Moyen-âge. 3. Alhazen a établi la théorie faisant état du phénomène de diffusion, ainsi que celle de la vision des objets. Tests : 1p160 Recopie et complète (bilan) a. produit ; primaire. b. diffuse ; diffusant. c. éclairer ; éclairé ; orienté. d. recevoir ; émise ; opaque. 4p160 Représente le trajet de la lumière (Soleil l-terre et lune et rayon lumineux ) 5p160 Explique une observation (figurine éclairée par un objet diffusant) La figurine est visible car elle est éclairée par la lumière diffusée par l écran blanc. 6p16 Choisis le schéma correct (Trajet de la lumière) Le schéma correct est le schéma a. 7p160 Observe une photographie (Les yeux fermés) L élève ne voit pas la lampe-torche car elle a les yeux fermés et donc la lumière produite par la lampe ne peut pas pénétrer dans ses yeux. La surface de la Lune joue le rôle de source de lumière pour la Terre. Exercices * : 8p161 Voir une lampe (œil bien placé) L œil verra la lampe quand il sera en position 1 La lumière produite par la lampe peut alors pénétrer dans l œil.

7 9p161 Voir un objet éclairé. 10p161 Utiliser un éclairage photographique (rôle des parapluies blancs) Les parapluies blancs des photographes reçoivent et renvoient la lumière du projecteur. Ils jouent le rôle d écrans diffusants. 13p161 Rédige une explication (sur exercice 12) Marine voit la flamme de la bougie, car la lumière émise par la flamme pénètre dans son œil. Zinédine voit le ballon qui diffuse la lumière provenant du Soleil, car la lumière diffusée par le ballon pénètre dans son œil. Quand elle est à l est du Soleil, elle apparaît donc le soir à l ouest, après le Soleil couchant. Quand elle est à l ouest du Soleil (quelques mois plus tard), elle apparaît à l est le matin, avant le lever du Soleil. Elle peut donc servir de repère de direction pour les personnes qui se déplacent très tôt ou très tard (comme les bergers). Par contre, elle diffuse la lumière solaire : ce n est donc pas une étoile mais une planète. 20p162 Pour aller plus loin (éclairage en couleur. Objet noir) 1. La balle de ping-pong est rouge quand le filtre est rouge ; elle est bleue quand le filtre est bleu. 2. La balle diffuse la lumière colorée reçue de la source. 3. Une balle de ping-pong noire ne diffuserait pas la lumière (ou très peu), donc on ne la verrait pas. 22p163 Voie et conduire (brouillard) Par temps de brouillard, la lumière des phares est diffusée par le brouillard et le conducteur ne voit plus bien la route. 23p163 A chacun sa façon de voir (éclairage avec une DEL) Allumer la lampe-torche pour éclairer la DEL, puis de réaliser un circuit électrique pour faire briller la DEL. 15p162 L étoile du berger Vénus est plus proche du Soleil que la Terre. On peut donc quasiment la voir tourner autour du Soleil.

8 IV. Bilan.