Histoire de l optique Optique géométrique (version historique)

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1 Histoire de l optique Optique géométrique (version historique) Propagation rectiligne de la lumière (Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260av. J.-C.) Durée : environ 1h00 en classe Construction d une boîte à faisceaux 2. Loi de la réflexion (Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260av. J.-C.) Durée : environ 1h30 au laboratoire Mesure des angles d incidence et de réflexion pour trois positions du miroir 3. Loi de la réfraction (Ptolémée, ~90 - ~168 : tables numériques sur la réfraction; Descartes, 1637 : loi de la réfraction) Durée : environ 1h30 au laboratoire Démonstration : comparaison entre l indice de réfraction du verre et celui de l eau Mesure de la longueur focale d une lentille convergente et d une lentille divergente Identification de lentilles convergentes et divergentes 4. Fabrication d une lunette (Galilée, 1609) et théorie des lentilles (Kepler, 1611) Durée : environ 2h00 au laboratoire Fabrication d une lunette avec deux lentilles

2 Histoire de l optique Géométrie optique d Euclide à Descartes 1. Propagation rectiligne de la lumière (Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260 V. J.-C.) Problème Vous devez démontrer que la lumière se propage de façon rectiligne en fabriquant une boîte capable de produire des rayons lumineux rectilignes et parallèles (boîte à faisceaux). Contraintes à respecter 1. La boîte à faisceaux est construite en équipe de deux. 2. Matériel permis pour construire la boîte : une boîte de carton (assez longue mais idéalement pas trop haute); une lampe de poche (idéalement halogène et puissante); des ciseaux, papier collant et colle; une carte de fente construite en carton mince, mais qui ne plie pas (exemple : carton mince d une boîte à chaussures ou d une boîte de céréales, sinon coller au moins deux feuilles de papier construction). 3. La boîte doit avoir entre 3 et 5 fentes (idéalement 4). 4. Le but est que les rayons lumineux soient les plus parallèles, les plus fins et les plus clairs possible. Si les fentes sont trop minces, les rayons se dédoublent. Si les fentes sont trop larges, les rayons lumineux seront aussi trop larges.

3 Nom : Histoire de l optique Géométrie optique d Euclide à Descartes 2. Loi de la réflexion (Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260 V. J.-C.) Problème Qu arrivera-t-il au rayon lumineux du schéma ci-bas? Rayon lumineux Angle 2 Angle 1 Miroir Contraintes à respecter Votre réponse doit être solidement appuyée : 1. formuler une hypothèse vérifiable expérimentalement; 2. élaborer une démarche expérimentale pour vérifier votre hypothèse; 3. prendre au moins trois mesures pour vérifier votre hypothèse et présenter vos résultats dans un tableau; 4. formuler la loi de la réflexion; 5. énoncer votre solution au problème de départ.

4 1. Hypothèse (Exemples : L angle 1 est toujours le double de l angle 2. Angle 1 = Angle 2. Angle 1 > Angle 2.) 2. Protocole 3. Résultats Angle 1 Angle 2 Mesure 1 (Exemple : 20 o ) (Exemple : 20 o ) Mesure 2 (Exemple : 50 o ) (Exemple : 20 o ) Mesure 3 (Exemple : 70 o ) (Exemple : 20 o ) Mesure 4 (Exemple : 70 o ) (Exemple : 20 o )

5 4. Conclusion (loi de la réflexion) (À compléter seulement à la fin, lors du retour en groupe sur les résultats.) 5. Réponse au problème Qu arrivera-t-il au rayon lumineux incident du schéma ci-bas? Rayon lumineux Angle 1 Miroir Mesure

6 Mesure

7 Matériel nécessaire (ne pas distribuer au élève cette feuille) - Feuilles (une par élève) - 15 petits miroirs rectangulaires - 15 rapporteurs d angle Les élèves apportent : - Crayons, efface, règle - Boîte à faisceaux lumineux Idéalement, les élèves doivent savoir utiliser un rapporteur d angle.

8 Nom : Histoire de l optique Géométrie optique d Euclide à Descartes 3. Réfraction lumineuse (Ptolémée, ~90 - ~168 : tables numériques de réfraction; Descartes, 1637 : loi de la réfraction) Partie A Trouvez la longueur focale de la lentille (convergente ou divergente). Longueur focale (en cm) :

9 Partie B Écrivez si les lentilles suivantes sont convergentes ou divergentes. Lentille 1 Convergente ou divergente

10 Matériel réfraction (ne pas distribuer aux élèves) Pour la réfraction, les élèves doivent apporter: - Boîte à faisceaux lumineux - Crayons, efface - Règle Au laboratoire, ils auront: Partie A (trouver la longueur focale) - 6 lentilles divergentes - 6 lentilles convergentes Partie B (identifier si la lentille est convergente ou divergente) -6 enveloppes contenant chacune une lentille

11 Nom : Histoire de l optique Géométrie optique d Euclide à Descartes 4. Fabrication d une lunette avec deux lentilles (Galilée, 1609 : fabrication d une lunette; Kepler, 1611 : théorie des lentilles) Problème Vous devez construire un appareil permettant de grossir les objets éloignés. Contraintes Vous devez utiliser seulement deux pour construire votre lunette. Vous devez décrire ci-dessous quels types de lentilles vous avez utilisées (convergentes ou divergentes) et à quelle distance vous devez placer les lentilles pour percevoir les objets éloignés clairement. Schéma de la lunette (écrire le type de lentilles utilisées et la distance entre les lentilles)

12 Semaine 1 (durée : 1h00) Construction d une boîte à faisceaux Semaine 2 (durée : 1h30) La réflexion Semaine 3 (durée : 1h30) La réfraction Semaine 4 (durée : 2h00) Construction d une lunette astronomique L an prochain, on pourrait Semaine 1 (durée : 1h00) Construction d une boîte à faisceaux Semaine 2 (durée : 1h30) La réflexion Semaine 3 (durée : 1h30) La réfraction (nouvelle expérience avec lentilles semi-circulaires) Semaine 4 (durée 2h00) Les lentilles (expérience de l an passé) Semaine 5 (durée : 2h00) Construction d une lunette astronomique