LABORATOIRE OMBRE ET PÉNOMBRE Activité expérimentale Document d'accompagnement Janvier 2008
OBJECTIFS COUVERTS PAR LE LABORATOIRE Observer les phénomènes d ombre et de pénombre en relation avec l étendue de la source de lumière et les distances entre la source, l obstacle et l écran. Se familiariser avec la démarche expérimentale. Utiliser l expérimentation comme moyen d exploration. Se familiariser avec la rédaction d un protocole expérimental. Comprendre la nécessité d explorer une seule relation à la fois. Se familiariser avec l exécution d une expérience. Suivre un protocole expérimental simple. Observer un phénomène dans le cadre d une expérience. Manipuler du matériel dans le contexte d une expérience simple. Se familiariser avec l analyse scientifique de données expérimentales. Présenter des données expérimentales au moyen d un tableau à double entrée. Traiter des données expérimentales. 2
PROTOCOLE DE L EXPÉRIENCE Avant d entreprendre cette étape, assure-toi d avoir un espace de travail propre, dégagé et suffisamment sombre. L obscurité totale n est pas nécessaire, mais il est plus difficile d observer les ombres formées par la source du montage s il y a trop de lumière ambiante. Ferme les rideaux et, si la surface de travail est polie, recouvre-la d un tissu foncé. Si tu travailles près d un mur blanc, éloigne la table de travail ou couvre le mur d un tissu ou d un carton foncé. BUT L expérience vise à vérifier que la lumière se propage en ligne droite, en mesurant les dimensions de l ombre formée sur un écran par un obstacle éclairé à partir d une source ponctuelle en faisant varier la grandeur des obstacles, puis la distance qui sépare la source de l écran (partie A). Dans la partie B, tu vérifieras que la propagation rectiligne de la lumière explique les formations d'ombre et de pénombre obtenues par une source étendue. MATÉRIEL Rassemble le matériel listé ci-dessous. Partie A Fourni avec la trousse À se procurer porte-piles avec fils 2 piles de 1,5 V de format AA 1 ampoule miniature (3 V) avec socle 3 cartons noirs rigides pour les obstacles : 1 pince-notes 7/8 po (20 mm) 2 cm 2 cm, 3 cm 3 cm et 4 cm 4 cm 1 ruban à mesurer de 1 m gradué au 1 mm 2 cartons 8 1/2 po 11 po pour l écran 1 feuille de papier millimétrique papier collant ou brocheuse tournevis Partie B 1 ampoule veilleuse (5 W) avec socle 1 pièce de 2 dollars rallonge électrique (120 V) 3
PARTIE A LA SOURCE PONCTUELLE MANIPULATION Tu vas d abord préparer le montage et vérifier s il est fonctionnel. Procède par étapes en suivant les consignes données plus bas. Une fois terminé, le montage ressemblera à celui de la figure 1. Figure 1 Montage pour les manipulations avec la source ponctuelle Sour Por Socle Rub La source ponctuelle Une source de lumière ponctuelle est une source de petite dimension, assez petite pour être considérée comme un point lumineux. Dans cette expérience, l ampoule miniature sert de source ponctuelle. 1. Visse l ampoule miniature dans le socle. Branche les deux fils du porte-piles au socle à l aide du tournevis. Introduis les piles dans le porte-piles et vérifie que l ampoule s allume. Lorsqu il fonctionne bien, mets de côté ce montage. 4
Les obstacles Les obstacles sont les 3 carrés noirs de 2 cm, 3 cm et 4 cm de côté. 2. Pince le plus petit obstacle dans le pince-notes de sorte que l obstacle soit vertical et bien droit. (Le bord supérieur de l obstacle doit être horizontal.) Mets-le de côté. L écran 3. Fabrique un écran à l aide des cartons de 8 1/2 po 11 po (figure 1). Assemble-les de sorte qu ils tiennent à la verticale. L un des cartons sert d écran et l autre de support. Fixe la feuille de papier millimétrique sur l écran à l aide du papier collant ou d une brocheuse. Le papier millimétrique te permettra de mesurer la largeur des ombres; il est divisé en carrés de 1 cm de côté, subdivisés en petits carrés de 1 mm de côté. Le montage 4. Fixe le ruban à mesurer sur la table, bien droit, à l aide du papier collant. La graduation métrique doit paraître sur le dessus. Le ruban sert à aligner la source ponctuelle, l obstacle et l écran. L axe sur lequel sont alignés la source, l obstacle et l écran est appelé «axe optique». Il correspond ici au ruban à mesurer. 5. Allume la source et place-la à une extrémité du ruban. Place l écran à l autre extrémité et l obstacle entre les deux. Éteins les lumières dans la pièce (sauf la source) et ferme les rideaux. Ne te préoccupe pas des distances pour l instant. 6. Explore pendant quelques minutes sans prendre de mesures : observe ce que devient l ombre si tu déplaces la source, l obstacle ou l écran. Déplace l obstacle à côté de l axe optique et vois comment l ombre se déforme. Remarque que seule la partie supérieure de l ombre est visible sur l écran. C est tout à fait normal avec ce type de montage. Lorsque les composantes ne sont pas bien alignées, constate que l ombre est déformée, c est-à-dire qu elle n est plus carrée comme l obstacle. Pour la suite de ce travail, la source, l obstacle et l écran devront être chaque fois bien alignés sur l axe optique. La taille de l obstacle Dans cette partie, les distances qui séparent la source, l obstacle et l écran restent toujours les mêmes. Seule la taille de l obstacle varie d une mesure à l autre. On peut ainsi établir une relation entre la grandeur de l ombre et la taille de l obstacle. 5
7. Place la source sur le ruban (axe optique) en alignant le centre de l ampoule sur la marque de 0 cm; mets ensuite l obstacle (2 cm 2 cm) à 20 cm de la source en alignant bien le carton noir sur la marque; place l écran à 40 cm de la source, directement sur la marque. (Ton montage devrait alors correspondre exactement à celui de la figure.) Vérifie ensuite l alignement. Si l alignement est bon, l ombre devrait être bien carrée (comme l obstacle) et la limite supérieure de l ombre devrait être horizontale. Si tel est le cas, passe à l étape suivante. Sinon, déplace légèrement les composantes de sorte que les centres de la source ponctuelle, de l obstacle et de l écran soient sur une même ligne. 8. Mesure la largeur de l ombre sur l écran en utilisant le quadrillé comme repère (1 grand carré = 1 cm et 1 petit carré = 1 mm). Note ensuite la valeur dans le tableau 1 de «Résultats». Exprime la largeur en centimètres et donne une décimale. 9. Observe le contour de l ombre sur l écran. Inscris dans le tableau «net» si le contour semble bien découpé, et «flou» s il est large et mal défini. 10. Reprends les consignes 7 à 9 après avoir remplacé l obstacle de 2 cm 2 cm par celui de 3 cm 3 cm. Refais-les ensuite avec l obstacle de 4 cm 4 cm. La distance source-écran Dans cette partie, tu vas varier la distance qui sépare la source de l écran en déplaçant l écran entre les mesures. La source et l obstacle restent en position fixe. Tu utiliseras l obstacle de 3 cm 3 cm pour toutes les mesures; tu pourras ainsi mieux saisir l effet de la distance source-écran sur la grandeur de l ombre. 11. Place l obstacle de 3 cm 3 cm à 10 cm de la source ponctuelle, elle-même étant sur la marque de 0 cm sur le ruban. 12. Place l écran à 20 cm de la source, sur la marque correspondante du ruban. Vérifie l alignement et corrige au besoin. 13. Mesure la largeur de l ombre sur l écran en utilisant le quadrillé comme repère. Note ensuite la valeur dans le tableau 1 qui suit. 14. Observe le contour de l ombre sur l écran. Inscris dans le tableau le mot «net» s il semble bien découpé, ou «flou» s il est large et flou. 15. Répète les étapes 12 à 14 en déplaçant successivement l écran sur les marques de 25 cm, 30 cm, 35 cm et 40 cm. Note à chaque fois dans le tableau la largeur de l ombre et la netteté de son contour. 6
RÉSULTATS Tableau 1 La taille de l obstacle La taille de l obstacle La taille de l obstacle Obstacle Largeur de l ombre Contour Rapport Obstacle Largeur (cm) de l ombre de Contour l ombre ombre/obstacle Rapport 2cm 2 cm (cm) de l ombre ombre/obstacle 2cm 2 cm 3 cm 3 cm 3 cm 3 cm 4 cm 4 cm 4 cm 4 cm La distance source-écran Tableau 2 - La distance source-écran La distance source-écran Distance source-écran Largeur de l ombre Contour Rapport ombre/ Distance (cm) source-écran Largeur (cm) de l ombre de Contour l ombre distance Rapport source-écran ombre/ (cm) 20 (cm) de l ombre distance source-écran 20 25 25 30 30 35 35 40 40 Tu as maintenant terminé les manipulations de la partie A et rempli deux colonnes des tableaux. Tu rempliras la dernière colonne lorsque tu feras l analyse des résultats, après avoir complété les manipulations de la partie B. 7
PARTIE B LA SOURCE ÉTENDUE MANIPULATION Le montage est semblable à celui de la partie A, mais l ampoule miniature est remplacée par une ampoule de 5 W et l obstacle est circulaire. Figure 2 Montage pour les manipulations avec la source étendue Obstacle circulaire Écran Source étendue Ampoule Pince-notes Ruban à mesurer 15 cm 20 cm Axe optique 10 cm La source étendue Une source étendue est de dimension non négligeable par rapport à la grandeur du montage. Une source étendue est trop grande pour être considérée comme un point lumineux; c est plutôt une surface éclairante. Dans ce montage, l ampoule de 5 W est une source étendue. 1. Visse l ampoule de 5 W dans le socle de caoutchouc. Branche la rallonge électrique dans une prise de courant. Branche la fiche du socle à la rallonge et vérifie que la lampe s allume. Lorsqu il fonctionne bien, mets de côté ce montage. 8
L obstacle 2. Pince solidement la pièce de 2 dollars dans le pince-notes. Elle tient lieu d obstacle. Au besoin, utilise un élastique pour fixer la pièce afin qu elle ne bouge pas. L écran 3. L écran doit être uni et blanc. La partie qui servait de support en A est ici utilisée comme écran. Si le carton utilisé n est pas blanc, recouvre-le d une feuille blanche et fixe-la avec du papier collant ou une brocheuse. Le montage 4. Aligne les composantes (source, obstacle et écran) sur le ruban (axe optique) et allume la source. 5. Explore en déplaçant tour à tour la source, l obstacle et l écran. Observe l ombre formée sur l écran. Note dans le tableau 3 de «Résultats» donné plus loin si le contour de l ombre est net ou flou. Tu devrais normalement observer une zone d ombre entourée d une zone partiellement éclairée. On appelle «pénombre» la zone grise qui sépare l ombre (noire) de la zone pleinement éclairée. Figure 3 Ombre et pénombre Zone éclairée Ombre Pénombre Seule la partie supérieure de l ombre est visible sur l écran avec le montage utilisé. 9
6. Place la source sur la marque de 10 cm du ruban. Place l obstacle à 15 cm de la source, soit sur la marque de 25 cm. Installe l écran sur la marque de 45 cm. Vérifie l alignement. Si l alignement est bon, l ombre devrait avoir une forme parfaitement circulaire, comme l obstacle. Sinon, déplace légèrement les composantes pour corriger la situation. 7. Éloigne la source de l obstacle : fais-la d abord glisser sur la marque de 5 cm et ensuite jusqu à la marque de 0 cm. L obstacle et l écran restent au même endroit. Observe et note les changements dans les dimensions de l ombre et de la pénombre; inscris dans le tableau 2 de «Résultats» si ces dimensions augmentent, diminuent ou restent les mêmes, à mesure que la source s éloigne. Note également si la pénombre devient de plus en plus importante par rapport à l ombre à mesure que tu éloignes la source ou si, au contraire, la pénombre diminue en importance. 8. Place la source sur la marque de 0 cm, l obstacle sur la marque de 15 cm et l écran sur la marque de 35 cm (à 20 cm de l obstacle). 9. Éloigne maintenant l écran de l obstacle; fais-le d abord glisser sur la marque de 40 cm, puis sur la marque de 45 cm. Note tes observations dans le tableau. RÉSULTATS Tableau 3 Exploration La source s éloigne L écran s éloigne Ombre* Pénombre* Importance de la pénombre* *Dans chacune des colonnes, inscris «augmente», «diminue» ou «reste la même». Contour de l ombre (net ou flou) : Tu as maintenant terminé l ensemble des manipulations. Le tableau devrait être complet. L étape suivante consiste à traiter les informations recueillies, c est-à-dire à analyser les résultats et à les discuter. Pour ce faire, retourne dans le cours pour compléter la 2 e partie du laboratoire Ombre et pénombre. 10