SNC2D/SNC2P Lumière et optique géométrique/lumière optique géométrique Démonstration par l enseignante ou l enseignant : Lentilles couvertes Sujets optique géométrique et formation des images Durée préparation : 20 min démonstration : 10 min Attentes particulières SNC2D A1.1 Repérer un problème de nature scientifique, poser des questions s'y rattachant et formuler une hypothèse. A1.8 Évaluer la fiabilité des données empiriques (p. ex., identifier les sources d'erreur et d'incertitude dans les mesures) ou de l'information recueillie ou la solution à un problème A1.9 Analyser et synthétiser les données empiriques ou l'information recueillie (p. ex., traiter les données, choisir les unités SI appropriées, appliquer des techniques de conversion, sélectionner des citations, développer les idées principales et secondaires). A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. E1.5 Déterminer, à l'aide de diagrammes de rayons et de formules appropriées, les caractéristiques et la position de l'image formée par la lentille convergente et la lentille divergente en fonction de la position de l'objet. E1.6 Reconnaître des applications courantes de la réflexion totale interne et expliquer les conditions essentielles à sa formation, y compris l'angle critique. E2.4 Examiner les phénomènes de la réfraction, de la réflexion partielle et de la réflexion totale de la lumière et les illustrer à l'aide de diagrammes de rayons. [ER, AI, C] E2.5 Vérifier expérimentalement les caractéristiques et la position d'une image produite par une lentille convergente. [ER, AI, C] SNC2P A1.1 Repérer un problème de nature scientifique, poser des questions s'y rattachant et formuler une hypothèse. A1.8 Évaluer la fiabilité des données empiriques (p. ex., identifier les sources d'erreur et d'incertitude dans les mesures) ou de l'information recueillie ou la solution à un problème A1.9 Analyser et synthétiser les données empiriques ou l'information recueillie (p. ex., traiter les données, choisir les unités SI appropriées, appliquer des techniques de conversion, sélectionner des citations, développer les idées principales et secondaires). A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. E1.6 Prédire la couleur d'objets dans différents contextes en utilisant la synthèse des couleurs - synthèse additive, synthèse soustractive. E1.7 Décrire l'effet des filtres sur la lumière blanche en utilisant la synthèse soustractive..
Introduction Cette démonstration explique comment se forme une image au moyen d une lentille. Elle permet également de diagnostiquer les idées fausses sur la formation des images. Matériel lampe de poche à 9 DEL ruban isolant lentille convergente (p. ex., une loupe ou lentille de Fresnel) et support écran de projection de grande dimension carton ou ruban opaque Consignes de sécurité Aucune Marche à suivre Portez l EPP approprié : lunettes de protection. Préparez le matériel avant le cours. 1. Masquez par des petits morceaux de ruban isolant quatre des LED de la lampe de poche comme le montre la fig. 1. Repliez les bords comme indiqué. (a) (b) (c) Fig. 1 Façon de masquer les LED pour former un motif ressemblant à une flèche 2. Installez les accessoires comme le montre la fig. 2 et tenez la lampe de poche d une main. 3. Réglez la distance entre la lampe de poche et la lentille (à peu près la distance focale, f) jusqu à ce que l image de la flèche (inversée et réelle) se dessine nettement sur l écran. Lentille de Fresnel Fig. 2 Montage de la lampe de poche, de la lentille et de l écran
Séparez la classe en équipes de 2 ou 3 élèves. 4. Prédire / Expliquer Demandez aux élèves de prédire ce qui va advenir de l image lorsque la lentille sera partiellement couverte par le morceau de carton ou du ruban opaque. Invitez-les à justifier leur prédiction. 5. Observer Recouvrez la moitié de la lentille avec le morceau de carton. Pointez de nouveau la lampe de poche sur la lentille et laissez le temps aux élèves de consigner leurs observations. 6. Expliquer Demandez aux groupes de se réunir et de revoir leurs explications, s il y a lieu. Invitez-les à proposer un outil ou un moyen pour expliquer ce qu ils ont observé. Nettoyage Pas d indication particulière. Qu est- ce qui se produit? Dans un premier temps, la lumière émise par la lampe de poche forme une image sur l écran comme le montre la fig. 3. Fig. 3 Schéma des rayons dans le montage initial Lorsque la moitié de la lentille est couverte par le morceau de carton, c est toujours une image réelle et inversée qui paraît à l écran, mais sa luminosité est de moitié moindre que celle de la première image. À noter que la moitié couverte n importe pas. Comment ça fonctionne? Les élèves doivent dessiner des schémas des rayons afin de prédire les endroits où les images (réelles ou virtuelles) vont se former. Ces schémas sont simples et représentent en général deux ou trois rayons de lumière stratégiques. Les élèves ont souvent tendance à croire que si l un des rayons est bloqué, une partie seulement de la lumière émise par l objet atteindra l écran et l image sera incomplète. En réalité, la lampe de poche (objet) émet, de chacun de ses points, un très grand nombre de rayons lumineux qui partent dans toutes les directions (fig. 4).
Fig. 4 Schéma des rayons dans le montage initial montrant les «rayons perdus» Tous les rayons qui traversent la lentille contribuent à la formation de l image. Lorsque la lentille est partiellement couverte, la quantité de lumière qui la traverse est moindre et, par conséquent, la luminosité de l image est également moindre. C est ce qui explique en partie pourquoi les télescopes astronomiques sont dotés d objectifs (lentilles qui captent la lumière) de grandes dimensions. Suggestions/conseils pour l enseignante ou l enseignant 1. Cette démonstration peut s avérer un très bon outil de diagnostic des idées fausses sur la formation des images. On devrait l utiliser avec la démarche P.E.O.E. (Prédire, Expliquer, Observer, Expliquer). 2. On peut se procurer pour moins de 10 $ des lampes de poche à 9 LED dans toutes les quincailleries et les magasins à bas prix. Ce sont d excellents «objets lumineux» pour les démonstrations en optique. La modification illustrée à la fig.1 produit un objet très brillant en forme de flèche qui se prête bien à une démonstration des propriétés des images formées par un miroir ou une lentille courbe. Cette ressemblance avec une flèche permet de bien voir l inversion dans le plan vertical des images. Pour montrer l inversion dans le plan horizontal, il suffit de tourner la lampe de poche de 90. Pour montrer l orientation de l objet (la lampe de poche), il suffit de le pointer vers les élèves. Cette lumière est forte mais pas dangereuse. Et la source est beaucoup plus brillante et sûre qu une bougie. L image produite est donc beaucoup plus facile à voir. 3. À défaut d acheter une lentille de Fresnel, vous pouvez récupérer la lentille d un vieux rétroprojecteur (fig. 5). Il vous suffira de poncer les bords de la lentille du rétroprojecteur pour obtenir deux lentilles mesurant environ 30 cm de côté. Plus la lentille est grande, plus la quantité de lumière captée et focalisée est grande, ce qui produit une image plus claire et facile à voir.
Fig. 5 Fabrication d une lentille de Fresnel à partir d une lentille convergente ordinaire 4. À l étape 4, les élèves seront naturellement portés à croire que seulement une moitié d image se formera ou que l image sera dans le bon sens, pas inversée. À l étape 5, ils devraient constater que l image entière paraît toujours mais que sa luminosité est de moitié moindre. 5. À l étape 6, un outil ou un moyen approprié serait un schéma de rayons. Prochaines étapes En guise de suivi, demandez aux élèves de répéter l activité en bloquant cette fois la moitié de la lumière émise par la lampe de poche. L image qui paraîtra sera partielle. Vous pourriez aussi leur demander ce qui va se passer si la lentille était enlevée, ou si une lentille de Fresnel plus grande ou une loupe plus petite était utilisée. Ressources supplémentaires 1. Explication de la démonstration et des concepts apparentés Five Easy Lessons: Strategies for Successful Physics Teaching, Randall D. Knight. 2. Information détaillée sur la démonstration Goldberg, F.M. et McDermott, L. C. An investigation of student understanding of the real image formed by a converging lens or concave mirror. Am. J. Phys. 55, 108-119 (1987). 3. Information détaillée en ligne sur la démonstration : Optics Re-education http://science.uniserve.edu.au/disc/phys/aip/kwan.html (en anglais seulement)