L optique en quatrième une démarche le matériel adapté

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1 L optique en quatrième une démarche le matériel adapté

2 Sommaire 1. Diffusion de la lumière et vision a Mise en place du matériel b Déroulement Spectre de la lumière a Mise en place du matériel b Spectre de la lumière blanche c Spectre d une lumière de couleur d Synthèse additive e Synthèse dite soustractive Propagation rectiligne de la lumière a Vérification de la propagation rectiligne avec un écran détecteur b Vérification de la propagation rectiligne avec l œil comme détecteur c Ombre avec une source ponctuelle d Ombre avec une source étendue e Ombres colorées Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 2

3 Présentation Le nouveau programme du cycle central du collège publié au B.O. n 1 du 13 février 1997 reprend, pour ce qui concerne l'optique, l'essentiel de l'ancien programme de 4 e (B.O. n 31 du 30 juillet 1992). Les propositions d activités qui suivent s'insèrent dans le cadre de ce programme et cherchent à en respecter l esprit. Le tableau de la page suivante est directement inspiré de l'ancien programme et de ses commentaires. Ceux qui connaissent l'édition précédente de ce document constateront la disparition du chapitre sur la formation des images. Ainsi, ce tableau est adapté au nouveau programme. Dès que paraîtra le prochain programme de 3 e nous compléterons ce document en cherchant à mieux l'ajuster aux nouvelles instructions. Les commentaires du programme reprennent largement le point de vue développé par Wanda Kaminski dans sa thèse : «Optique élémentaire en classe de quatrième» soutenue en mars Nous nous sommes aussi largement inspirés de ces travaux. Nous n avons pas cherché à établir le détail d une progression mais plutôt à décrire les manipulations réalisables par les élèves et propices à la mise en place des concepts visés par le programme. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 3

4 1. Sources de lumière 2. Propagation rectiligne de la lumière 3. Vision, premiers éléments Sources primaires et secondaires, diffusion de la lumière par un objet éclairé. 1. Inventaire des sources de lumière de notre environnement. 2. Un écran «blanc» sert de détecteur de la lumière diffusée par un écran coloré éclairé en lumière blanche. 3. Distinction entre diffusion et réflexion sans étude systématique de cette dernière. 4. Retour sur 1. Lumière et couleur. 1. Observation du spectre de la lumière blanche. 2. Lumière diffusée par un objet coloré. Observations mettant en évidence que la couleur perçue par l œil dépend à la fois de l objet et de la lumière qui l éclaire. Première mise en évidence du fait qu un objet n est vu que si de la lumière provenant de cet objet pénètre dans l œil. Similitude filtre-(objet diffusant coloré). 3. Synthèse additive et soustractive. Distinguer lumière colorée et teinture ou pigment. Avoir conscience que, pour l œil et le cerveau, la perception des couleurs est le résultat d une addition de lumières colorées. Analyse de situations d éclairage en tout ou rien. 1. Prévoir ce qu on voit sur un écran éclairé par une source ponctuelle avec interposition d un écran opaque percé. (ici l écran sert de détecteur de lumière) 2. Prévoir ce qu on voit à travers une succession d écrans percés. 3. Début de schématisation : représentation des «rayons lumineux» par des droites fléchées. 4. Prévoir la forme de l ombre d un objet sur un écran dans le cas - d une source petite devant la taille de l objet (source dite ponctuelle); - d une source de taille non négligeable par rapport à celle de l objet (source dite étendue). 5. Prévoir ce que percevra l œil, en vision directe, s il est placé dans les régions d ombre ou de pénombre. 6. Utiliser la propagation rectiligne de la lumière pour interpréter les phénomènes d éclipse ou les phases de la Lune. 7. Réinvestir les notions sur la synthèse des couleurs en réalisant des ombres colorées : l objet, placé devant un écran «blanc» est éclairé avec deux sources colorées de petite taille par rapport à celle de l objet. Condition nécessaire pour voir un objet : que la lumière provenant de cet objet pénètre dans l œil. Toutes les manipulations précédentes ont contribué à mettre en place cette interprétation de la vision. En particulier, l usage répété d un écran détecteur dans lequel on perce un trou pour recevoir ensuite la lumière en vision directe, devrait contribuer à convaincre l élève qu il ne peut percevoir que des rayons lumineux qui pénètrent dans ses yeux. Les rayons lumineux ne peuvent être vus latéralement. La visualisation d un faisceau de lumière, par exemple dans l air chargé de poussières, devrait à ce stade être correctement interprétée. Les conditions de vision nette pourront être abordées après étude des lentilles. Cependant, le rôle conjugué de la rétine et du cerveau pourront être mis en évidence en observant les effets de contraste sur la perception des couleurs. L effet de contraste peut être observé lors des expériences sur les ombres colorées (n 7 ci-contre). 1.a Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 4

5 1. Diffusion de la lumière et vision 1.a Mise en place du matériel Écran blanc en accordéon (Ea). Feuille noire A4, pliée en deux (N). Deux pinces ou trombones (P). Figurine (F) : statuette ou motif découpé dans une carte postale ou du carton. Jeu de feuilles colorées (C) de format A5 dont une «noire» et une en aluminium. Générateur 12 V ; 2 A, continu ou alternatif. Lanterne (L) 12 V ; 20 W. P P E F a 1.b Déroulement Dans une salle obscure, chaque groupe allume la lanterne et l oriente vers l une des deux zones blanches de l écran E a. La zone blanche qui lui fait face devient éclairée par la lumière renvoyée (diffusée) par la zone qu éclaire la lampe. La figurine facilite l observation en délimitant une zone plus sombre qui ne reçoit pas de lumière en provenance directe de la région de l écran éclairée par la lampe. Mêmes observations en éclairant des feuilles colorées (C). La figurine et l écran détecteur reçoivent alors une lumière colorée qui ne peut provenir directement de la lampe qui émet de la lumière blanche. Le rôle de la surface diffusante est ainsi confirmé. Mêmes observations en remplaçant la feuille colorée par une feuille «noire». Comparer avec la surface diffusante «blanche». La feuille noire diffuse certes beaucoup moins de lumière que la feuille blanche mais l écran récepteur est éclairé, il apparaît d un gris neutre. Une surface matérielle dite noire n absorbe donc pas totalement la lumière qu elle reçoit. Pour se rapprocher du noir absolu, on pourra utiliser une boîte noire et percer une petite ouverture sur l une de ses faces. Alors que la surface matérielle diffuse de la lumière, il n en sort pratiquement pas de la boîte et le trou apparaît d un noir profond, nettement plus sombre que le «noir» des parois de la boîte. Bien que l étude détaillée de la réflexion ne soit pas au programme, la comparaison des comportements d une feuille blanche et d une feuille en aluminium montrera que la diffusion se fait dans toutes les directions alors que la réflexion est directive. Pour cela, faire pivoter les feuilles autour d un axe vertical et observer les éventuelles variations de luminosité de l écran récepteur. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 5

6 2. Spectre de la lumière 2.a Mise en place du matériel Écran blanc en accordéon (Ea). Support (D1) équipé d une lentille f = 10 cm. Support (D2) équipé d une fente verticale de largeur 1 mm, au format diapositive. Générateur 12 V ; 2 A, continu ou alternatif. Lanterne (L) 12 V ; 20 W. Jeu de feuilles colorées (format A5). Trois bandes de papier, 15x3 cm, chacune peinte de l une des couleurs primaires : cyan, magenta et jaune. Tous les accessoires qui suivent sont de la taille d une diapositive : Réseau (R). Fente 1 mm mixte : ½ blanche, ½ rouge. Fente 1 mm mixte : ½ blanche, ½ verte. Fente 1 mm mixte : ½ blanche, ½ bleue. 2.b Spectre de la lumière blanche Les lentilles n étant pas encore étudiées, on impose la disposition décrite ci-dessus. Les distances lentille-écran et lentille-fente sont égales à 20 cm. On observe sur l écran une reproduction de la fente qu il n est pas nécessaire, à ce stade, de qualifier d image. On observe le réseau, on constate qu il n est pas coloré et on le glisse contre la lentille de sorte que le spectre s étale horizontalement. Le réseau sera considéré comme un dispositif de tri, de séparation, des lumières colorées présentes dans la lumière émise par la lampe mais non perçues par l œil parce que mélangées. Cette expérience peut être l occasion de préciser le phénomène de diffusion de la lumière par un écran. Pour cela, placer une feuille colorée sur l écran. Contrairement à l écran blanc qui renvoyait uniformément toutes les couleurs, ici certaines couleurs sont mieux diffusées que d autres. Les observations sont encore plus marquées si on utilise des papiers peints avec des gouaches ou des encres primaires. Par exemple, on constate que la teinture Cyan renvoie bien la lumière reçue dans les régions bleue et verte du spectre mais absorbe presque complètement la lumière reçue dans la région rouge. 2.c Spectre d une lumière de couleur Le spectre de la lumière blanche, observé sur un écran blanc, va servir de référence pour interpréter le comportement de filtres colorés. Reprendre l expérience précédente en remplaçant la fente «blanche» par une fente mixte : une moitié laissée libre et l autre moitié couverte d un filtre coloré. La constatation est immédiate : en traversant le filtre, la lumière blanche a perdu certaines couleurs. Les élèves disposent de trois filtres ( R, V, B) mais le professeur peut réaliser une expérience collective où d autres filtres seront utilisés. On peut même envisager des superpositions de filtres en demandant aux élèves de prévoir ce qu on va observer avant de vérifier expérimentalement. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 6

7 2.d Synthèse additive Écran blanc en accordéon (Ea). Générateur 12 V ; 2 A, continu ou alternatif. Lanterne (L) 12 V ; 20 W. Plaque à bornes au pas de 38 mm. Pont redresseur si on utilise un générateur alternatif. Potentiomètre électronique. Moteur et disque RVB. Potentiomètre disque RVB Le moteur et ses accessoires d alimentation sont fournis montés à l élève. Addition de trois lumières de couleurs dites fondamentales : Rouge, Vert et Bleu. Orienter la lampe pour éclairer l écran au travers des filtres fixés sur le disque solidaire de l arbre du moteur. Observer l écran en tournant le disque à la main. Les couleurs R, V et B se succèdent sur l écran (l écran blanc est capable de renvoyer toutes les couleurs du spectre). Mettre en marche le moteur et augmenter, progressivement sa vitesse de rotation. Constater le clignotement des couleurs puis la perception d une lumière d un gris à peu près neutre. Ce sera l occasion de parler de l œil et des trois variétés de cônes de la rétine sensibles justement dans le rouge, le vert et le bleu. Quand la vitesse de rotation est suffisante tout se passe comme s ils étaient tous simultanément sollicités. Le cerveau décode l information comme correspondant à une lumière blanche. Addition de deux des lumières de couleurs fondamentales. Reprendre l expérience en occultant l une des trois couleurs. Les élèves reconnaîtront les couleurs dites primaires : cyan, magenta et jaune (C, M et J). Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 7

8 2.e Synthèse dite soustractive Écran blanc en accordéon (Ea). Deux feuilles noires de format A4. Quatre pinces ou trombones. Générateur 12 V ; 2 A, continu ou alternatif. Lanterne (L) 12 V ; 20 W. Spectroscope à réseau (S). feuille noire sur laquelle sont collées trois étiquettes de papier blanc à demi coloriées de l une des trois couleurs primaires : C, M et J. Jeu de filtres : R, V, B, C, M, J. Lumière renvoyée, lumière absorbée par une teinture. Éclairer en lumière blanche les étiquettes C, M et J. Approcher la fente du spectroscope de l une des étiquettes de sorte qu on observe simultanément le spectre de la lumière diffusée par la région blanche et celui de la lumière diffusée par la région colorée. Comparer les deux spectre et en déduire le comportement de la teinture. Chacune des teintures C, M et J absorbe un tiers du spectre de la lumière blanche et diffuse le reste. Par exemple la teinture magenta absorbe dans le vert et diffuse dans le bleu et le rouge. À titre de vérification on demandera aux élèves, avant qu ils ne réalisent l expérience, de prévoir quel sera l aspect des étiquettes CMJ si on les éclaire en lumière de couleur R, V ou B. Mélange de teintures ou superposition de filtres. Mélanger des peintures primaires. Éclairer le mélange en lumière blanche, observer au spectroscope. Chacune des teintures primaires absorbe un tiers du spectre. D où le terme «synthèse soustractive». Dans une expérience collective, on vérifiera que les filtres primaires C M et J, comme les peintures, absorbent un tiers du spectre. Il suffit de reprendre, avec ces filtres, l expérience du n 2.c. On peut aussi, sur un rétroprojecteur, superposer partiellement deux puis trois filtres CMJ. La similitude entre filtre et peinture peut alors être dégagée. Il faut pour cela rappeler que, pour l observateur, ce qui importe c est la lumière qui pénètre dans ses yeux. Dans les deux cas est sous-entendue la présence d une source primaire de lumière blanche. La peinture, comme le filtre, absorbe une partie des composantes de cette lumière. L œil qui reçoit la lumière diffusée par la peinture ou transmise par le filtre n est donc sollicité que par certaines des composantes du spectre. Dans le cas du filtre la lumière transmise est rarement observée directement mais plutôt après diffusion par un écran blanc. Ces observations peuvent être ensuite l occasion de raisonnements prédictifs qui devraient motiver l élève. On peut par exemple projeter une diapositive aux motifs très colorés et demander aux élèves de prévoir ce qu on observera si on interpose un filtre donné. On peut aussi observer une reproduction de tableau en lumière blanche et demander ce qui changera si on interpose un filtre donné devant la lanterne ou devant l œil de l observateur. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 8

9 3. Propagation rectiligne de la lumière 3.a Vérification de la propagation rectiligne avec un écran détecteur Écran blanc en accordéon (Ea). Deux feuilles noires de format A4. (N) Six pinces ou trombones. Générateur 12 V, continu ou alternatif. Lampe (L) 12 V ; 100 ma sur un support à deux niveaux (3 et 6 cm). Ecran un trou (E1T). Ecran trois trous (E3T). Ecran blanc (E). 4 feuilles quadrillées à fixer sur E. Ea N L E1T E B Déroulement La lampe éteinte est à l altitude 6 cm, placer l écran (E) à 20 cm de celle-ci et l écran (E1T) à 10 cm. L écran (Ea), recouvert de feuilles noires permettra au groupe de travail de s isoler des groupes voisins. Avant d allumer la lampe, fixer sur (E) un feuille quadrillée et dessiner, sur cette feuille, l aspect prévu. Demander une prévision précise sur la forme et la taille de la zone lumineuse qu on verra sur (E). Allumer la lampe pour vérifier les prévisions. Discuter. Éteindre la lampe, la placer à l altitude 3 cm, le reste étant inchangé. Reprendre les deux points précédents. Les prévisions seront plus difficiles, si la propagation rectiligne de la lumière suivant une direction horizontale est largement admise, la généralisation à d autres directions est plus rare. Pour solliciter encore les représentations spatiales des élèves, éteindre la lampe, déplacer dans son plan l écran (E1T) de 3 cm vers la droite ou la gauche. Demander des prévisions, vérifier. Dans le même but, remplacer l écran (E1T) par l écran (E3T). Prévoir, vérifier. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 9

10 3.b Vérification de la propagation rectiligne avec l œil comme détecteur Même matériel que précédemment, l écran plein (E) n étant pas utilisé. Ea N E1T E3T L B Le montage est identique au précédent mais, au lieu d observer la lumière diffusée par l écran, on cherche à recevoir directement dans l œil le faisceau issu de la lampe et qui passe par le trou de l écran (E 1T ). On placera l œil derrière l écran (E 3T ) et, en regardant au travers de l un de ses trous, on cherchera à voir au travers du trou de l écran (E 1T ). (l élève aura tendance à placer l œil proche d un trou de (E 3T ), celui-ci sera donc installé près du bord de la table de travail). Déroulement Lampe éteinte, altitude 6 cm, observer au travers des trous. Prévoir ce qu on verra quand la lampe sera allumée : - à travers T 1 et T - à travers T 2 et T - à travers T 3 et T Allumer la lampe et vérifier. Demander des formulations précises Recommencer la démarche la lampe étant à une altitude de 3 cm. À l issue de ces observations, l élève devrait être convaincu qu il ne peut voir un faisceau de lumière de profil. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 10

11 3.c Ombre avec une source ponctuelle Écran blanc en accordéon (Ea). Deux feuilles noires de format A4, fixées sur Ea. Six pinces ou trombones. Générateur 12 V, continu ou alternatif. Lampe (L) 12 V ; 100 ma sur un support à deux niveaux (3 et 6 cm). Ecran percé de trous(ep). Feuille quadrillée à fixer sur EP. Figurine (F). Déroulement L ampoule éteinte est à l altitude 3 cm ; les distances ampoule-figurine et figurine-écran sont choisies égales. Prévoir ce qu on observera sur l écran (feuille quadrillée fixée sur EP) quand la lampe sera allumée. Dessiner sur la feuille quadrillée les contours de l ombre prévue. Allumer l ampoule et vérifier. Prévoir la nouvelle forme et la nouvelle taille de l ombre si on déplace la source de lumière dans un plan parallèle à l écran. La lampe étant éteinte, la déplacer par exemple de 5 cm vers la gauche de l observateur. Prévoir, allumer la lampe et vérifier. Utiliser l écran percé de trous (EP) sans le recouvrir d une feuille quadrillée. Allumer l ampoule, observer l écran. Regarder où sont situés les trous. Si nécessaire, déplacer la figurine ou l écran pour que certains trous soient dans l ombre et d autres en pleine lumière. Prévoir ce qu on verra en regardant, au travers de chaque trou, depuis l arrière de l écran. Vérifier. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 11

12 3.d Ombre avec une source étendue Deux pinces ou trombones. Générateur 12 V, continu ou alternatif. Lanterne (L) 12 V ; 20 W. Diffuseur (D). Cache avec fente (C). Ecran percé de trous(ep). Feuille quadrillée à fixer sur EP. Figurine (F). Adapter le diffuseur devant la lampe. Imposer à l élève les positions respectives de la source de lumière, de la figurine et de l écran (ces positions auront été choisies pour qu avec la figurine disponible, soient nettement observables sur l écran les trois zones d ombre, de pénombre et de pleine lumière). Déroulement Avant d allumer la lampe, prévoir ce qu on va observer sur l écran. Vérifier en allumant la lampe et repérer sur l écran les trois zones évoquées ci-dessus. Délimiter les frontières entre les trois zones. Pour cela, promener la fente du cache (C) d un bout à l autre de la source étendue. Observer ainsi les ombres obtenues à partir de chaque «point» de la source. Repérer, sur la feuille quadrillée fixée sur l écran, les frontières pleine lumière-pénombre et pénombre-ombre. Enlever la feuille quadrillée et disposer l écran percé (EP) de sorte qu il y ait au moins un trou dans chaque zone. Observer l écran, du côté éclairé, et prévoir ce qu on verra en essayant de voir la source en l observant depuis l arrière de l écran à travers chacun des trous. Vérifier la prévision et faire formuler une conclusion du genre : «La zone de pleine lumière de l écran reçoit et diffuse de la lumière provenant de toute la surface de la source étendue.» «La zone d ombre de l écran ne reçoit aucune lumière en provenance directe de la source.» «La zone de pénombre de l écran reçoit et diffuse de la lumière provenant d une partie seulement de la source étendue.» Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 12

13 3.e Ombres colorées Générateur 12 V 4 A, continu ou alternatif. 2 lanternes (L) et (L ) 12 V ; 20 W. 2 supports de diapositives (D) et (D ). 2 diaphragmes (diamètre 6 mm, format diapo). 2 diapos avec papier calque translucide. 6 filtres R, V, B, C, M et J. Figurine (F). Feuille noire ou carton opaque format A5. Mettre dans chacun des supports D et D un papier calque et un diaphragme. Déroulement Allumer les lampes, les occulter, tour à tour, avec la feuille noire. Vérifier que chacun des ensembles (D-L) et (D -L ) se comporte comme une source qu on peut considérer comme ponctuelle (l ombre observée sur l écran a des contours à peu près nets). Ajouter, par exemple, un filtre rouge dans D et un filtre vert dans D. Allumer tour à tour L et L et repérer les zones d ombre et de lumière qui correspondent à chacune des sources. Prévoir ce qu on observera sur l écran si on allume simultanément les deux sources. Allumer les deux sources, vérifier les prévisions. La feuille noire pourra servir à occulter l une des deux sources ce qui permettra de bien situer les zones de l écran éclairées par chacune des lanternes. Cette expérience peut être l occasion de raisonnements déductifs à la portée de l élève. On pourra par exemple lui demander de choisir les deux filtres pour que la région de l écran en pleine lumière diffuse une lumière blanche. À l occasion de remarques d élèves on pourra discuter des effets de contraste. Centre de Ressources pour l Enseignement des Sciences Physiques (CRES) - Collège Fromentin La Rochelle 01/02/98 13