La lumière et les ombres.
La lumière et les ombres. PROGRESSION GENERALE Séance n 1 : La notion de source lumineuse : recensement de tout ce qui «produit» de la lumière. Séance n 2 : Propagation rectiligne de la lumière : mise en évidence d un faisceau lumineux dans un liquide. Séance n 3 : Classification de différents objets ou matériaux selon qu ils sont transparents ou opaques et observation de leurs ombres. Séance n 4 : Réflexion de la lumière par un miroir. Mises en situation pour s approprier cette notion. Séance n 5 : Conception et construction d un périscope pour réinvestir la notion de réflexion. Séance n 6 : Décomposition de la lumière du Soleil, à l aide d un bac rempli d eau (+ quelques gouttes de lait) et d un miroir, en extérieur d abord, puis à l intérieur en remplaçant le Soleil par une torche. Séance n 7 : Recomposition de la lumière blanche, par deux expériences : fabrication d un disque de Newton, et superposition de 3 spots lumineux sur un écran (les 3 couleurs primaires) pour obtenir du blanc. On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site Internet du M.E.N et dont l adresse est http://www.eduscol.education.fr/d0027/exsren02.htm : - Lumière et ombre - Mouvement apparent du Soleil - Energie
La lumière et les ombres. LISTE DU MATERIEL Pour une classe de 30 élèves (7 groupes) : 7 cuves en plastique 7 bacs en plastique transparent 7 miroirs 7 lampes torches 7 petits moteurs 7 piles plates de 4.5 V du carton (de la classe) du papier de couleur (rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet) 3 spots de 500 W avec des filtres colorés (rouge, bleu, vert), et le branchement électrique adéquat une vingtaine de petits miroirs de récupération (à récupérer chez un miroitier, dimensions 4.5 4.5 cm pour le périscope et 4 12cm pour le kaléidoscope) 14 cordons croco du lait (à ramener de la maison) des agrafeuses (de la classe) un pistolet à colle de la bande adhésive noire
LA LUMIERE ET LES OMBRES (Cycle 3) Place dans le programme : Le ciel et la Terre : Lumière et ombres. 1. QUESTIONNEMENT INITIAL (séance 1) Recenser tout ce qui, autour de nous, «produit» de la lumière puis effectuer un classement. Ampoule, artificiel, étoile, feu, lumière, ombre, Soleil. Il s agit d une première séance collective et orale pour faire l inventaire, avec les élèves, de ce qui «produit de la lumière» ou plutôt, de ce qui éclaire : Soleil, ampoule, lampe, Lune, étoile, feu, bougie, etc... Attention au terme «produit» ; en effet, la Lune, par exemple, ne fait que réfléchir la lumière du Soleil. On peut ébaucher un classement en fonction de : la nature de la lumière (naturelle/artificielle) la couleur émise (blanche, jaune...) 2. LA PROPAGATION DE LA LUMIERE (séance 2) Mettre en évidence le déplacement en ligne droite de la lumière dans un milieu homogène (c.-à-d. qui a partout les mêmes propriétés). Propagation, rayon ou faisceau lumineux, trajectoire. du carton 1 bac en plastique transparent rempli d eau 1 lampe torche du lait (quelques gouttes) Une discussion s engage autour de la question : Comment est-ce que la lumière voyage? On peut parler des rayons du Soleil, par exemple. Est-ce qu elle peut contourner les obstacles? Puis
l enseignant lance l activité : «Comment la lumière se propage-t-elle? Quelle est sa trajectoire ou le chemin qu elle parcourt?». «En fait on voudrait que vous trouviez, dans chaque groupe, un moyen de mieux voir le faisceau lumineux de la lampe torche, pour être sûr que la lumière a bien un trajet rectiligne. Pour matérialiser ce faisceau, vous allez remplir une cuve d eau et ajouter quelques gouttes de lait, utiliser du carton, et bien sûr la lampe torche. Essayez de trouver un moyen pour que l on voie vraiment le faisceau lumineux.» Lampe torche Faisceau lumineux L enseignant laisse chercher les élèves quelques minutes. Peut-être les élèves auront-ils l idée de faire passer le faisceau lumineux à travers un petit trou percé dans le carton ; c est ce qui donne le résultat le plus satisfaisant. Lors de la synthèse, on pourra conclure par exemple: «La lumière se propage en ligne droite, aussi bien dans l air que dans un liquide homogène.» 3. LES OBJETS TRANSPARENTS ET OPAQUES ET LEUR OMBRE (séance 3) Classer différents matériaux en introduisant le vocabulaire opaque, transparent. Montrer que l ombre formée par un objet opaque dépend de la forme de l objet, de sa position et de son orientation par rapport à la source lumineuse. Ombre, opaque, transparent. 1 lampe torche Carton percé différents objets et matériaux : bois, plastique, plexiglas, verre, eau, papier, cellophane... La séance se découpe en 2 temps. 1 er temps : l enseignant commence par présenter les différents matériaux sur les tables, et expliquer aux élèves qu ils vont devoir les classer selon que l objet laisse passer ou non la lumière. Quels adjectifs utiliser? : opaque - transparent. Après avoir éclairé les objets ou les matériaux avec la lampe torche et observé l ombre formée, chaque élève fait un tableau à 2 colonnes, où il doit placer le nom des matériaux ou objets (la règle, la gomme, le crayon, etc...). Eau + quelques gouttes de lait
L enseignant peut alors proposer un tableau commun et trancher sur les incertitudes en particulier sur les matériaux ou objets translucides (papier calque, plastique). 2 ème temps : en lien avec ce qui précède, un objet opaque arrête les rayons lumineux qui se propagent rectilignement. Il se crée donc une zone non atteinte par les rayons lumineux, c est l ombre de l objet. La consigne peut être alors la suivante : «choisir un objet opaque (gomme ou carton découpé), et observer comment l ombre varie lorsque l on déplace la lampe torche.». Les élèves dessinent leurs observations, en mesurant si nécessaire. L enseignant alimente au cours de l expérience la réflexion des élèves : Que se passe-t-il si la torche est à la verticale de l objet? Si elle est basse? Est-ce que l ombre dépend de l objet?» Enfin on pourra conclure par exemple : «L ombre dépend de la forme de l objet et de la place de la lampe torche : plus la source lumineuse est basse, plus l ombre s allonge.». Pour aller plus loin : Un théâtre d ombres, en séance d arts plastiques Un cadran solaire (observation du déplacement de l ombre - lien avec l astronomie). 4. LA REFLEXION DE LA LUMIERE 4.1. Utilisation d un miroir (séance 4) Observer la réflexion de la lumière. Montrer qu un miroir réfléchit la lumière et inverse l image reçue. Image, miroir, réflexion. 3 petits miroirs une lampe torche L enseignant distribue dans chaque groupe les miroirs et pose quelques questions : que voit-on dans un miroir? Qu est-ce qui caractérise un miroir? Dans quels cas utilise-t-on des miroirs et pourquoi? (rétroviseur de voiture pour voir derrière soi, miroir d angle pour observer sur les côtés, miroir de décoration pour donner l impression de plus d espace, etc). Il demande ensuite d observer ce que devient la lumière de la lampe torche envoyée sur un miroir. La lumière repart dans l autre sens, elle est réfléchie. On peut faire dessiner à l aide de flèches le trajet de la lumière selon l inclinaison du faisceau incident : miroir
L enseignant propose ensuite une activité plus ludique : miroir Il s agit d un relais dans chaque groupe : les élèves ont un miroir chacun, sauf celui qui tient la lampe torche, et ils doivent renvoyer le rayon lumineux au voisin, le dernier le renvoyant sur une cible fixe choisie par celui qui tient la torche. cible Enfin il suggère de terminer la séance par le déchiffrage d un texte écrit à l envers. Exemple de texte codé : On pourra résumer par une phrase de conclusion du type «Le miroir réfléchit la lumière qu il reçoit». Pour aller plus loin : Pour visualiser la réflexion d un faisceau de lumière sur un miroir, on pourra utiliser l expérience de la séance 2 en plongeant dans une cuve d eau (+ quelques gouttes de lait) un miroir.
4.2. Construction d un périscope (séance 5) Elaborer et construire un objet qui utilise des miroirs : le périscope. Réinvestir les notions abordées précédemment. Oculaire, périscope. 2 miroirs carrés (4,5cm 4,5cm) du carton rigide mais pas trop épais de la colle (en pistolet idéalement) une paire de ciseaux une agrafeuse Après avoir rappelé les caractéristiques d un miroir, l enseignant lance aux élèves le défi de voir au-dessus d un obstacle (un mur par exemple) avec l aide de 2 miroirs. Par deux les élèves expérimentent jusqu à comprendre qu il faut positionner les deux miroirs face à face mais légèrement inclinés. Ils peuvent dessiner le chemin de la lumière qui part de l objet et qui parvient à l œil. Il propose ensuite de construire un appareil utilisant ce principe et donne aux élèves le modèle de construction d un périscope ( les mesures sont indicatives, tout dépend de la taille des miroirs) : Emplacement des miroirs, à 45, en vis à vis Fenêtre 30 cm Feuille de carton à plier selon les traits Oculaire 5.5 cm 4.5 cm 5.5 cm 4.5 cm 1.5 cm Pour aller plus loin : Construction d un kaléidoscope 3 miroirs de 4 cm par 12 cm, du scotch
5. LA DECOMPOSITION DE LA LUMIERE 5.1. La décomposition de la lumière du Soleil (séance 6) Montrer que la lumière du Soleil (lumière blanche) résulte de la superposition d un ensemble de lumières de couleur. Arc-en-ciel, couleurs, décomposition de la lumière, spectre lumineux, superposition. une cuve remplie d eau un miroir ruban adhésif noir une feuille de papier blanc une lampe torche Dans un premier temps, l enseignant fait porter la discussion autour du phénomène de l arc-en-ciel. Qu est-ce qu on voit? Dans quelles conditions se forme un arc-en-ciel? L enseignant peut faire ressortir la nécessité d avoir la présence du Soleil et de pluie dans le ciel. Il présente ensuite le matériel dont les élèves disposeront : une cuve remplie d eau, un miroir pour renvoyer les rayons solaires et une feuille blanche pour récupérer le spectre solaire. Enfin il décrit le dispositif suivant : Spectre solaire Soleil Feuille de papier blanc Miroir Miroir que l on a recouvert de ruban adhésif noir pour ne laisser apparaître qu une petite fenêtre réfléchissante (1 cm 5 cm) Eau Les élèves donnent un nom aux couleurs observées et notent les conditions de l expérience (position de la feuille de papier, du Soleil, du miroir, etc). Dans un deuxième temps, ils refont l expérience en classe, à l aide de lampes torches. Chaque groupe a donc pour consigne : «refaire un arc-en-ciel avec la lampe torche en guise de Soleil» ; on peut leur demander de noter quelques observations, de faire le dessin de la manipulation. Mise en commun : l enseignant pourra insister sur la nécessité d avoir à la fois la lumière du Soleil et la présence d eau. Les élèves donnent les noms des couleurs observées (rouge, orange, jaune,
vert, bleu, violet, dans l ordre). D où viennent toutes ces couleurs? Enfin l enseignant demande de dessiner sur leur cahier le trajet du rayon lumineux et le résultat. 5.2. Mélange des couleurs 5.2.1 Le disque de Newton (séance 7) Inversement, si on mélange toutes les couleurs obtenues précédemment, on doit retrouver de la lumière blanche. C est le principe du disque de Newton. Il peut se fabriquer à l aide d un petit moteur ou sous forme de toupie. Montrer qu en observant le mélange de certaines couleurs, on peut obtenir la couleur de la lumière blanche. Couleurs, disques, lumière blanche. Pour chaque élève : un petit moteur électrique du carton rigide une pile de 4.5 V du papier de couleur 2 cordons croco Les élèves auront préparé auparavant un disque de carton comportant les 6 couleurs dans l ordre : rouge, orange, jaune, vert, bleu et violet On fixe ce disque sur l axe du moteur relié à la pile ou on réalise une toupie avec, par exemple, un stylo comme axe. On voit alors apparaître une teinte plus ou moins claire selon la vitesse de rotation. Selon la qualité des couleurs, le disque en rotation donnera une teinte s approchant de celle de la lumière blanche. 5.2.2. Les 3 spots lumineux Addition, couleurs primaires, filtre, soustraction 3 spots : un rouge, un vert, un bleu un drap ou un mur blanc
Il serait difficile ici d avoir du matériel pour tous les groupes. C est pourquoi cette séance peut se faire par atelier ou avec toute la classe en même temps. Les conditions d observation seront d autant meilleures qu il y aura une bonne obscurité dans la classe. Les spots sont placés de manière que les faisceaux se chevauchent (voir dessin ci-contre). L enseignant donne la consigne suivante à chaque élève qui réalisera l expérience : «allume un, deux ou trois spots et observe sur l écran. Dessine à chaque fois ce que tu as vu.» Il est important de faire une mise en commun une fois que chaque élève aura pu observer les différentes combinaisons: Le rouge, le vert et le bleu sont les 3 couleurs primaires. En les additionnant deux à deux, on obtient les couleurs secondaires : rouge + vert jaune rouge + bleu magenta bleu + vert cyan Si on additionne les trois couleurs jaune, magenta et cyan, on obtient une lumière blanche. vert rouge jaune magenta cyan bleu Pour aller plus loin : Dans les postes de télévision couleur, la couleur est obtenue par des milliers de points de couleur verte, rouge ou bleue. Précisions : L obtention d une couleur par mélange de lumière de différentes couleurs est appelée addition de couleurs. Dans ce cas, le vert, le rouge et le bleu sont des couleurs primaires et le jaune, le magenta et le cyan sont des couleurs secondaires. L addition de toutes ces couleurs donne le blanc. A l inverse l obtention d une couleur par mélange de pigment (peinture, encre, crayon de couleur, etc) est appelée soustraction de couleurs. Dans ce cas, le jaune, le magenta et le cyan sont les couleurs primaires et le vert, le rouge et le bleu sont des couleurs secondaires. La soustraction de toutes ces couleurs donne le noir.