Exemple de situation d évaluation Niveau Bac Pro Proposé par Gilles LERAN Lycée Saint-Exupéry - TOULOUSE Thèmes du programme : HS4 - T5 Capacités Connaissances Déterminer expérimentalement le foyer image d une lentille convergente et sa distance focale Déterminer expérimentalement la valeur de la force de poussée d Archimède Connaître les éléments remarquables d une lentille mince convergente (axe optique, centre optique O, foyer principal objet F, foyer principal image F, distance focale) et le symbole d une lentille convergente. Connaître les conditions de flottabilité d un matériau. Connaître les conditions d équilibre d un corps flottant. Attitudes - sens de l observation - imagination raisonnée - rigueur et précision - esprit critique - respect des règles de sécurité Page 1 sur 4
Présentation du contexte de l expérimentation Immersion d un système optique Ferdinand veut essayer de fabriquer un système optique qu il pourrait adapter sur l appareil photographique étanche qu il utilise en plongée. Pour cela, il a commandé des lentilles convergentes repérées par les symboles 1 et 2 de vergences C 1 = 20 et C 2 = 8. Avant de se lancer dans le montage dans un boitier qu il a fabriqué, il souhaite vérifier la vergence des lentilles qu il a reçues. On rappelle que la relation liant la distance focale d une lentille à sa vergence est donnée par la relation : C = 1 où C est la vergence en dioptries et f la distance f focale en mètres. Il veut également déterminer le poids que devra avoir le système optique pour qu il soit parfaitement équilibré lorsqu il sera totalement immergé dans de l eau de mer (masse volumique 1035 kg/m 3 ). Pour l étude de la flottabilité du boitier dans l eau, on utilisera un objet cylindrique qui servira de modèle, de même volume que le système optique de Ferdinand. Partie A : Les lentilles achetées ont-elles la vergence annoncée par le constructeur? A.1. Montrer que la distance focale de la lentille 1 est 5 cm si la vergence annoncée par le fabricant est respectée. A.2. Calculer la distance focale de la lentille 2 si la vergence annoncée par le fabricant est respectée. A.3. On dispose du matériel suivant un banc optique un écran un générateur 6/12 V une lampe 12 V un support de lentille un miroir un demi-cylindre en plexiglas un générateur de fréquences des fils de connexion un «objet lumineux» Proposer, en utilisant une partie de ce matériel, un protocole expérimental qui permette de vérifier la valeur de la vergence d une des lentilles reçues. Schéma du montage : Page 2 sur 4
Descriptif du protocole envisagé :........................ Appel N 1 : Appeler le professeur pour présenter les résultats obtenus et lui expliquer le protocole envisagé. A.4. Réaliser le montage validé par le professeur et procéder aux réglages nécessaires à la vérification de la vergence de la lentille 1. Noter les résultats de l observation ci-dessous. A.5. Conclure en utilisant les résultats précédents sur le respect de la vergence annoncée par le constructeur. Appel N 2 : Appeler le professeur pour présenter vos observations et lui expliquer vos conclusions sur le respect de la vergence annoncée par le constructeur. Partie B : Quel poids donner au système optique pour l équilibrer dans l eau de mer, c est à dire faire en sorte qu il ne coule pas et ne remonte pas vers la surface? B.1. Nommer la force qui s oppose au poids lorsqu un objet est immergé et indiquer ses caractéristiques. B.2. On dispose du matériel suivant un dynamomètre un manomètre une éprouvette graduée une balance un tableau aimanté eau salée un objet cylindrique de même volume que le dispositif optique et de densité supérieure à celle de l eau salée de la ficelle des masses marquées huile Page 3 sur 4
Proposer, en utilisant une partie de ce matériel, un protocole qui permette de déterminer expérimentalement la valeur de la force présentée à la question B.1. Schéma du dispositif Description du protocole Appel N 3 : Appeler le professeur pour présenter vos résultats et lui expliquer le protocole envisagé. B.3. Réaliser le montage validé par le professeur. Relever les mesures nécessaires et déterminer la valeur de la force exercée verticalement par l eau sur l objet cylindrique. B.4. Déduire de ce qui précède la valeur que devra avoir le poids du dispositif optique. Justifier. Appel N 4 : Appeler le professeur pour lui montrer la remise en état du poste de travail et lui remettre la copie. Page 4 sur 4
Proposition de protocole partie A NOM et Prénom :... Date de l évaluation... /... /... Document à ne fournir au candidat, à l issue de l appel n 1, qu en cas de nécessité pour la poursuite de l épreuve. Exemple de protocole permettant de déterminer expérimentalement la vergence d une lentille. 1. Réaliser le montage schématisé ci-dessous : On placera l écran à une distance AA 2m, ce qui est assez loin pour considérer que l image est à l infini. 2. Déplacer la lentille sur l axe pour obtenir une image nette sur l écran. Puisque l image est considérée à l infini, relever la distance OA qui correspond alors à la distance focale f 3. Déterminer la vergence correspondante OA = f =... C =... A n utiliser que si nécessaire.
Proposition de protocole partie B NOM et Prénom :... Date de l évaluation... /... /... Document à ne fournir au candidat, à l issue de l appel n 3, qu en cas de nécessité pour la poursuite de l épreuve. Exemple de protocole permettant de déterminer expérimentalement la valeur de la force verticale exercée par l eau sur le cylindre immergé. 1. Réaliser le montage schématisé ci-dessous : Objet de même volume que le dispositif optique Dynamomètre Eau salée Etape n 1 : 1 - Réaliser le montage décrit par le schéma ci-contre. 2 - Déterminer le poids de l objet P =... Etape n 2 1 - Réaliser le montage décrit par le schéma cicontre. 2 - Mesurer la force exercée par le dynamomètre T =... 3 - Calculer la poussée exercée verticalement par l eau salée F = P T =... A n utiliser que si nécessaire.