Notes pédagogiques 2.3 1/2 section 2.3 La réflexion sur un miroir plan : les lois de la réflexion Manuel, p. 46 et 47 Apprentissages notionnels visés Faire appel aux concepts de rayons incident et réfléchi, de normale et d angles d incidence et de réflexion. Déterminer la relation entre les angles d incidence et de réflexion. Énoncer la seconde loi de la réflexion et l utiliser dans la résolution de problèmes qui traitent de miroirs plans. Rappels Les types d ondes (manuel, p. 4. Les caractéristiques d une onde (manuel, p. 5. La réflexion de la lumière (manuel, p. 8 et 9. Fiche LABO 4 2.3, p. 12 Fiche SAVOIRS 2.3, p. 16 LABO 4 Les relations mathématiques entre l angle d incidence et l angle de réflexion, ainsi qu entre l angle de rotation d un miroir et l angle de déviation du rayon réfléchi Buts Mesurer les angles d incidence et de réflexion. Déduire la seconde loi de la réflexion à l aide d une droite obtenue par régression linéaire. Déterminer la relation mathématique entre l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r et l angle de rotation d un miroir (θ m. 60 minutes Fiche LABO 4 2.3, p. 12 Matériel Par dyade Un miroir plan Une boîte à rayons avec une fente Deux feuilles à coordonnées polaires Organisation de l enseignement En dyade et individuellement Déroulement Démarches Démarche d analyse. Démarche expérimentale. Stratégies Évoquer des problèmes similaires déjà résolus. Anticiper les résultats d une démarche. Attitudes Curiosité. Intérêt pour la confrontation des idées. Rigueur intellectuelle. Sens du travail méthodique. Discipline personnelle. Techniques Utilisation des instruments de mesure. Interprétation des résultats de la mesure (chiffres significatifs, incertitudes liées aux mesures, erreurs. Réactiver les connaissances des élèves sur les notions de rayon incident, de normale, d angle d incidence, de rayon réfléchi et d angle de réflexion. Inviter les élèves à revoir les figures 4 et 5, à la page 44 du manuel, qui portent sur la géométrie de la réflexion. Animer une discussion sur les relations entre les angles d incidence (θ i et de réflexion (θ r, ainsi qu entre l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r et l angle de rotation d un miroir (θ m. Amener les élèves à évoquer leurs connaissances scientifiques sur la propagation des ondes et à faire part de leurs observations de phénomènes naturels tels que la réflexion de phares 10 Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 Reproduction interdite Chenelière Éducation inc.
Notes pédagogiques 2/2 2.3 dans un rétroviseur ou celle de la lumière du Soleil dans une vitrine. Expliquer aux élèves comment utiliser une boîte à rayons. Produire un pinceau lumineux le plus étroit possible. Dire aux élèves que, dans certaines circonstances, il faut soulever légèrement la boîte à rayons pour être en mesure de voir le rayon réfléchi. Réactiver les connaissances des élèves sur la construction d un tableau de données, les concepts de variables indépendante et dépendante, l élaboration d un graphique à partir d un tableau et la droite de régression linéaire. Au besoin, consulter l annexe 3.5, La régression linéaire sur un nuage de points, à la page 393 du manuel. S assurer que les élèves utilisent des points de leur droite de régression et non ceux du tableau pour calculer la pente. Préciser aux élèves que le laboratoire leur permettra de déterminer expérimentalement la loi de la réflexion. Distribuer la fiche LABO 4 2.3 et lire les buts et les manipulations avec les élèves, puis présenter le matériel du laboratoire. Préciser aux élèves que dans la partie A l angle de réflexion (θ r variera en fonction de l angle d incidence (θ i. Ainsi, dans la présentation des résultats, on placera ce dernier sur l axe des abscisses. Dans la partie B, les élèves mesureront l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r en fonction de l angle de rotation du miroir (θ m. Inviter les élèves à remplir la fiche LABO 4 2.3 au fur et à mesure du déroulement du laboratoire. En groupe classe, inviter les élèves à mettre en commun leurs conclusions concernant les relations entre les angles d incidence (θ i et de réflexion (θ r, ainsi qu entre l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r et l angle de rotation d un miroir (θ m. Distribuer la fiche SAVOIRS 2.3 et demander aux élèves de répondre individuellement aux questions pour consolider leurs apprentissages. Leur signaler que la page 46 du manuel leur sera utile pour répondre aux questions. Corriger la fiche en classe. Inviter les élèves à répondre aux questions de la rubrique Pour faire le point sur la section 2.3, à la page 47 du manuel. Techniques et stratégies Il s agit d une excellente mise en pratique des techniques liées aux mesures (la sensibilité des instruments de mesure, la justesse, l interprétation des résultats. Celles-ci sont souvent utilisées dans des laboratoires de divers degrés de complexité. Le laboratoire permet aux élèves de faire l expérience des notions de causes d erreurs et de biais de l expérimentateur. En effet, une erreur très commune de la part des élèves est de positionner la face avant du miroir plan sur la ligne de mesure. Étant donné l épaisseur du miroir ( 3 mm et le fait qu un miroir de qualité normale a une face arrière réfléchissante, cette mauvaise position du miroir occasionnera une erreur de quelques degrés entre les angles d incidence (θ i et de réflexion (θ r. De plus, certains élèves auront tendance à anticiper les résultats et à repositionner le miroir à chaque mesure pour s assurer que θ i = θ r. Il est souvent nécessaire de faire un retour et de discuter de ces deux aspects avec les élèves une fois le rapport de laboratoire corrigé. TTP L utilisation d une feuille blanche au lieu d une feuille à coordonnées polaires est préférable si on veut garder des traces de la démarche. Par exemple, une ou un élève qui mesure l angle entre le miroir et un rayon au lieu de l angle entre la normale et le rayon pourra corriger son erreur à la maison au moment de terminer son rapport de laboratoire. Toutefois, l utilisation d une feuille à coordonnées polaires accélère la prise de mesures. Tic Au lieu de tracer le nuage de points sur papier et de calculer la régression linéaire, il est possible d utiliser un tableur ou une calculatrice à affichage graphique. Pour gagner du temps Demander aux élèves de terminer le rapport de laboratoire à la maison. Le temps de laboratoire devrait être consacré en priorité à la prise de me sures. En 60 minutes, il est possible de prendre toutes les mesures des parties A et B. Ne faire que la partie A ou la partie B du laboratoire et faire l autre partie en démonstration. Reproduction interdite Chenelière Éducation inc. Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 11
nom: groupe: date: Fiche LABO 4 2.3 1/4 section 2.3 La réflexion sur un miroir plan : les lois de la réflexion LABO 4 Manuel, p. 46 et 47 Les buts de l expérience Les relations mathématiques entre l angle d incidence et l angle de réflexion, ainsi qu entre l angle de rotation d un miroir et l angle de déviation du rayon réfléchi Mesurer les angles d incidence et de réflexion. Déduire la seconde loi de la réflexion à l aide d une droite obtenue par régression linéaire. Déterminer la relation mathématique entre l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r et l angle de rotation d un miroir (θ m. Les hypothèses Question A. Quelle relation mathématique existe-t-il entre les angles d incidence et de réflexion? Justifiez votre hypothèse à l aide de vos observations antérieures et de vos connaissances scientifiques sur les ondes et la lumière. Question B. Quelle relation mathématique existe-t-il entre l angle de rotation d un miroir (θ m et l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r? Justifiez votre hypothèse à l aide de vos observations antérieures et de vos connaissances scientifiques sur les ondes et la lumière. Le protocole expérimental Matériel Un miroir plan Une boîte à rayons avec une fente Deux feuilles à coordonnées polaires Manipulations PARTIE A La seconde loi de la réflexion 1 Sur la première feuille à coordonnées polaires, positionner le miroir plan sur la ligne 90-270 (debout et droit. 2 Poser la boîte à rayons sur la ligne 0 de façon que le rayon incident soit perpendiculaire au miroir, et mesurer les angles d incidence (θ i et de réflexion (θ r. Noter ces mesures dans le tableau 1 de la question 1. 3 Refaire l étape 2 en variant l angle d incidence (θ i d un pas angulaire de 5 jusqu à 85, puis répondre aux questions 2 et 3. 12 Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc.
nom: groupe: date: Fiche LABO 4 2.3 2/4 PARTIE B Les leviers optiques 1 Sur la deuxième feuille à coordonnées polaires, positionner le miroir plan sur la ligne 90-270 (debout et droit. 2 Poser la boîte à rayons sur la ligne 0 de façon que le rayon incident soit perpendiculaire au miroir. 3 Tourner le miroir de 5 et mesurer la déviation angulaire du rayon réfléchi ( θ r, c est-à-dire l angle entre le rayon incident (θ i et le rayon réfléchi (θ r, jusqu à ce que l angle de rotation du miroir (θ m atteigne 85. Noter ces mesures dans le tableau 2 de la question 4, puis répondre aux questions 5 et 6. Les résultats PARTIE A La seconde loi de la réflexion 1. Notez les mesures des angles d incidence (θ i et de réflexion (θ r dans le tableau 1. Tableau 1 Mesures des angles de la partie A ( Angle d incidence (θ i réflexion (θ r Angle d incidence (θ i réflexion (θ r Angle d incidence (θ i réflexion (θ r 0 30 60 5 35 65 10 40 70 15 45 75 20 50 80 25 55 85 2. Dans le quadrillé ci-dessous : a tracez le graphique correspondant aux données du tableau 1 de la question 1 ; b tracez la droite de régression linéaire la mieux ajustée aux points. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 13
nom: groupe: date: Fiche LABO 4 2.3 3/4 3. Calculez le taux de variation et l ordonnée à l origine afin d obtenir la relation mathématique entre les deux variables. PARTIE B Les leviers optiques 4. Notez les mesures de l angle de rotation du miroir (θ m et de l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r dans le tableau 2. Tableau 2 Mesures des angles de la partie B ( rotation du miroir (θ m déviation du rayon réfléchi ( θ r rotation du miroir (θ m déviation du rayon réfléchi ( θ r rotation du miroir (θ m déviation du rayon réfléchi ( θ r 0 30 60 5 35 65 10 40 70 15 45 75 20 50 80 25 55 85 5. Dans le quadrillé ci-dessous : a tracez le graphique correspondant aux données du tableau 2 de la question 4 ; b tracez la droite de régression linéaire la mieux ajustée aux points. 14 Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc.
nom: groupe: date: Fiche LABO 4 2.3 4/4 6. Calculez le taux de variation et l ordonnée à l origine afin d obtenir la relation mathématique entre les deux variables. L analyse des résultats PARTIE A La seconde loi de la réflexion 7. Comparez la relation obtenue avec celle de votre hypothèse. 8. Que représente la coordonnée à l origine dans cette relation? 9. Quelles causes d erreurs peuvent expliquer la différence entre votre hypothèse et la relation que vous avez trouvée? PARTIE B Les leviers optiques 10. Comparez la relation obtenue avec votre hypothèse. 11. Que représente la coordonnée à l origine dans cette relation? 12. Quelles causes d erreurs peuvent expliquer la différence entre les deux relations? La conclusion PARTIE A La seconde loi de la réflexion 13. Quelle est la relation mathématique qui représente la loi de la réflexion? PARTIE B Les leviers optiques 14. Quelle est la relation mathématique entre l angle de déviation du rayon réfléchi ( θ r et l angle de rotation d un miroir (θ m? Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 15
nom: groupe: date: Fiche SAVOIRS 2.3 1/2 section 2.3 La réflexion sur un miroir plan : les lois de la réflexion Manuel, p. 46 et 47 1. La mesure de l angle d incidence (θ i d un rayon lumineux frappant une surface réfléchissante plane est de 20. Quelle est la mesure de l angle de réflexion (θ r? 2. L angle entre la surface d un miroir plan et un rayon lumineux réfléchi est de 48. Quel est l angle d incidence (θ i du rayon? 3. L angle entre le rayon incident (θ i et le rayon réfléchi par un miroir plan est de 92. Quel est l angle de réflexion (θ r? 4. Calculez l angle de réflexion (θ r final pour chacune des figures suivantes. a b Figure 1 Figure 2 16 Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc.
nom: groupe: date: Fiche SAVOIRS 2.3 2/2 5. Un rayon lumineux est dirigé vers un miroir plan avec un angle d incidence de 15. Le plan d incidence est perpendiculaire au miroir. a Quelle est la valeur de l angle entre la surface réfléchissante et le rayon incident? b Quelle est la valeur de l angle de réflexion (θ r? 6. Un miroir plan est déposé obliquement sur une table de manière à former un angle de 20 avec celle-ci. Si un rayon parallèle à la surface de la table touche le miroir, quelle sera la valeur de l angle de réflexion? 20 7. On détermine la grandeur du champ de vision que procure un miroir plan à une personne placée devant ce miroir en traçant les rayons lumineux incidents qui frappent les extrémités du miroir. Les rayons ainsi réfléchis délimitent la zone que la personne peut observer. Dans les deux situations suivantes, déterminez si la personne (au point P voit un objet placé au point O. a b P P O O Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. Quantum Physique Chapitre 2 Section 2.3 17