SCIENCES PHYSIQUES TD N 10 CORRIGE Ce corrigé ne respecte pas la consigne concernant le nombre de pages. C est avant tout un outil de formation qui ne saurait être considéré comme un corrigé modèle. Cette séquence sur les ombres et la lumière est destinée à des élèves de cycle 3. Elle est assez facile à mettre en œuvre car elle nécessite un matériel simple et courant. Ce thème permet d élaborer une véritable démarche expérimentale avec les élèves. I. Analyse des documents Document 1 Ce document montre une expérience permettant d obtenir l ombre d une sphère. L utilisation d une sphère permet de bien mettre en évidence l ombre propre, l ombre portée et le cône d ombre. Quelle que soit la position de la source, la partie éclairée correspond toujours à une demisphère. Cette expérience permet également de comprendre le phénomène de l alternance jour et nuit. Document 2 Ce document présente une expérience permettant de faire varier la taille de l ombre d un objet opaque. Pour une source lumineuse, un objet et un écran récepteur donnés, il est possible de faire varier la taille de l ombre : - en modifiant la position de l objet par rapport à la source lumineuse ; - en modifiant la position de l écran récepteur par rapport à l objet. Dans l expérience du document 2, l ombre portée dans le cas 1 est plus grande que l ombre portée dans le cas 2. On fait varier la position de l objet par rapport à la source lumineuse. L ombre est d autant plus grande que l objet est proche de la source lumineuse. Document 3 Ce document montre une expérience permettant de mettre en évidence le chemin de la lumière (propagation rectiligne de la lumière). Elle est réalisée avec une bougie, un carton blanc servant d écran et des morceaux de carton percés en leur centre ainsi d un morceau de ficelle. Document 4 Ce document montre une expérience permettant de mettre en évidence le chemin de la lumière (propagation rectiligne de la lumière). Sciences physiques TD n 10 Corrigé 1 / 9
Elle est réalisée avec une source de lumière, une plaque de carton percé et un bac rempli d eau et de lait. Elle permet de rendre visible un rayon lumineux visible en le plaçant dans un milieu diffusant (particules de lait en suspension dans l eau). Document 5 Ce document montre une expérience permettant de faire varier la position de l ombre. Elle se base sur le principe du gnomon. Le gnomon est le premier instrument utilisé en astronomie. C'est une simple tige verticale (style) plantée sur un plan horizontal. Il est connu depuis la plus haute antiquité (égyptiens, chaldéens, grecs). Pour un objet fixe, la direction de l ombre dépend de la position de la source lumineuse. L ombre du gnomon varie en fonction de la position du soleil. Document 6 Ce document est une reproduction de tableau de Georges de La Tour, La Madeleine à la Veilleuse. II. Les programmes Au cycle 3, ce thème fait partie du domaine «Le ciel et la Terre». Les objectifs en terme de connaissances sont : Une ombre nécessite une source de lumière. Sa forme dépend de la forme de l objet, de sa position et de son orientation par rapport à la source. La lumière suit un trajet rectiligne dans un milieu homogène. Pour qu un objet soit vu, il est nécessaire que la lumière issue de cet objet entre dans l oeil. Une source lumineuse ponctuelle et un objet opaque déterminent deux régions de l espace : une région éclairée d où l observateur voit la source et une région à l ombre d où l observateur ne voit pas la source. Lorsque la source lumineuse est étendue, il y a en plus une zone intermédiaire d où l observateur ne voit qu une partie de la source. Un objet opaque éclairé par une source de lumière a une partie éclairée et une partie à l ombre. Les formes visibles de ces surfaces varient suivant la place de l observateur. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 2 / 9
III. Objectifs de la séquence Les objectifs de cette séquence en terme de connaissances sont : les objets opaques, transparents et translucides ; le principe de formation des ombres ; la lumière se propage en ligne droite de la source vers l objet ; l ombre d un objet par rapport à une source de lumière est la zone de l espace qui ne reçoit pas de lumière de cette source car elle est arrêtée par l objet ; la forme de l ombre d un objet dépend de la forme de l objet et de la position relative de l écran et de l objet. Les objectifs de cette séquence en terme de savoir-faire sont : favoriser l'observation, la réflexion, la collaboration et l'argumentation (travail en groupes) ; observer et exploiter des documents ; concevoir et mettre en œuvre un dispositif expérimental ; chercher par l'expérience à prouver une affirmation, à vérifier une idée ; savoir interpréter des informations et des résultats expérimentaux ; présenter correctement des résultats d'expériences. IV. Exemple de séquence de classe La séquence proposée est composée de 4 séances de 30 à 45 minutes. 1. Séance 1 : représentation des enfants sur la lumière Questionnaire L enseignant peut proposer un questionnaire pour connaître les représentations des élèves sur ce phénomène complexe. Il cherche, en particulier, à apprécier si les élèves font la différence entre ombre et lumière et s ils ne confondent pas la lumière et sa source. Ce questionnaire peut être élaboré à partir du tableau de Georges de La Tour présenté par le document 6. Les questions peuvent être : - Quelles sont les zones où il y a de la lumière? - Quelle est la source de lumière? - Quelles sont les zones d ombre? Chaque élève répond au questionnaire. Les réponses sont mises en commun lors d une phase collective. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 3 / 9
Il est difficile pour les élèves de comprendre que la lumière est invisible et que c est grâce à son interaction avec la matière que les faisceaux lumineux peuvent être perçus. Le concept de lumière ne se construit pas avant l âge de 12 ans. Il s agit donc ici d une approche. Les sources de lumière Lors d une phase collective, les élèves cherchent des exemples sources de lumière. Ils établissent également la différence entre les sources naturelles de lumière (soleil, étoiles, ) et les sources artificielles de lumière (bougie, lampe à incandescence, ). Les objets opaques et translucides L enseignant propose différentes sortes de papier aux élèves : calque, papier noir, film transparent, Par groupe de 4, les élèves classent les types de papier : - ceux qui laissent passer la lumière ; - ceux qui laissent passer un peu la lumière ; - ceux qui ne laissent pas passer la lumière. Lors d une phase collective, chaque groupe propose son classement. L enseignant précise alors que : - les papiers qui laissent passer la lumière sont des papiers transparents ; - les papiers qui laissent un peu passer la lumière sont des papiers translucides ; - les papiers qui ne laissent pas passer la lumière sont des papiers opaques. Les objets peuvent être également classés selon ces trois catégories. Trace écrite Il existe des sources naturelles de lumière (soleil, étoiles, ) et des sources artificielles de lumière (bougie, lampe à incandescence, ). Un objet opaque est un objet qui ne laisse passer la lumière (bois, carton, ). Un objet transparent est un objet qui laisse passer la lumière (verre,...). Un objet translucide est un objet qui laisse passer une partie de la lumière (calque, ). 2. Séance 2 : les ombres Cette séance a pour objectif de déterminer les éléments intervenants dans la formation d une ombre. Elle vise la production d ombres. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 4 / 9
Elle permet également une familiarisation avec le matériel et le vocabulaire. Les notions et le vocabulaire visés sont : objet (ou corps), source lumineuse, écran récepteur, ombre portée, ombre propre. Le matériel nécessaire est : des sources lumineuses (lampes, torches, bougies), des objets (transparents, translucides, opaques), des écrans (feuilles blanches, tissus blanc, tissus noirs, écran pour projection de diapos), des grandes feuilles et des feutres. Questionnement L enseignant propose aux élèves de répondre à la question : «Quels sont les éléments qui entrent en jeu dans la formation d une ombre?». Hypothèses, investigation Individuellement, les élèves : - notent la question ; - émettent des hypothèses accompagnées de schémas ; - élaborent un protocole expérimental ; - anticipent les résultats. La trace écrite de ce travail individuel est consignée dans le cahier d expériences. Expérimentation Par groupes de 4, une production commune est élaborée : chaque groupe conserve une ou deux expériences qu il note sur une grande feuille. Chaque groupe réalise ses expériences et note les résultats obtenus sur la grande feuille. Le document 1 représente une expérience possible. Synthèse Les résultats obtenus lors des expériences sont mis en commun et analysés par le groupe classe. Les éventuelles erreurs recensées sont corrigées. L enseignant institutionnalise la notion d ombre. Trace écrite Pour former une ombre, il faut une source lumineuse, un objet opaque et un écran récepteur alignés. L ombre d un corps opaque est la zone sombre de l espace due à l interception de la lumière par ce corps. La partie non éclairée du corps est appelée ombre propre, alors que celle obtenue sur l écran récepteur est dite ombre portée. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 5 / 9
Autres questions Suite à cette séance, d autres questions peuvent émerger : - Un objet peut-il avoir plusieurs ombres? - Qu est-ce qui détermine la direction d une ombre? - Qu est-ce qui détermine la taille et la forme d une ombre? - 3. Séance 3 : propagation de la lumière Cette séance a pour objectif de mettre en évidence la propagation rectiligne de la lumière. Le concept de propagation rectiligne de la lumière est intuitif. La difficulté est donc pour les élèves d argumenter pour prouver ce qui leur semble évident. Questionnement L enseignant rappelle les notions dégagées lors de la séance précédente. L enseignant propose ensuite aux élèves de répondre aux questions : «Comment expliquer la forme d une ombre? Pourquoi l objet et son ombre ont la même forme?». Les élèves émettent des hypothèses oralement. Les propositions sont discutées et argumentées. L idée de propagation rectiligne de la lumière peut être évoquée. Si ce n est pas le cas, l enseignant doit amener les élèves à formuler cette hypothèse. Expérimentation L enseignant leur propose d élaborer un protocole d investigation permettant de prouver que la lumière se déplace de manière rectiligne à l aide du matériel mis à leur disposition : des bacs transparents, des liquides (eau, lait, sirop ), des cartons, des boîtes à chaussures, des sources lumineuses (lampes, torches, bougies), de la farine, de la poussière de craie, des tissus, du bois, du papier calque, du ruban adhésif et des ciseaux. Par groupes de 4, les élèves : - élaborent un protocole expérimental sur une grande feuille ; - anticipent les résultats ; - réalisent l expérience ; - notent les résultats ; - valident ou infirment l hypothèse de départ. Les documents 3 et 4 représentent deux expériences possibles pour montrer la propagation rectiligne de la lumière. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 6 / 9
Mise en commun Lors d une phase collective avec le groupe classe : - les résultats sont analysés ; - les problèmes rencontrés sont recensés ; - certaines expériences sont retenues, d autres sont améliorées ou rejetées. Dans le cas où cette phase n'aboutirait pas, les élèves seront amenés à émettre d autres hypothèses. L enseignant peut orienter leur investigation vers une recherche documentaire (sur internet, en BCD ), pour déboucher vers de nouvelles expérimentations. Synthèse et trace écrite La lumière se propage en ligne droite en milieu homogène : on dit que la trajectoire de la lumière est rectiligne en milieu homogène. Un milieu homogène est un milieu qui possède partout les mêmes propriétés. Par exemple, l air est homogène s il possède partout la même température, la même composition, le même taux d humidité. Un rayon lumineux est invisible, mais on peut le rendre visible en le plaçant dans un milieu diffusant (particules de lait en suspension dans l eau, poussières). 4. Séance 4 : variation de la taille et de l orientation de l ombre Cette séance a pour objectif de mettre en évidence les facteurs influant sur la taille et l orientation d une ombre. Questionnement L enseignant rappelle les notions dégagées lors de la séance précédente. Les élèves ont pu observer dans la cour de l école, leurs ombres à différents moments de la journée. Lors du retour en classe, ils échangent leurs remarques. L enseignant propose alors aux élèves de répondre à la question : «comment varient la taille et l orientation d une ombre?». Hypothèses Individuellement, les élèves : - notent la question ; - proposent des expériences qui permettent de mettre en évidence les facteurs influant sur la taille d une ombre et sur l orientation d une ombre. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 7 / 9
La trace écrite de ce travail individuel est consignée dans le cahier d expériences. Mise en commun Les propositions d expériences sont mises en commun. Plusieurs facteurs sont mis en évidence, comme par exemple : - le déplacement de l'objet ; - le déplacement de la source lumineuse ; - le déplacement de l'écran. L enseignant propose aux élèves de tester chaque paramètre (taille et orientation) en travaillant par atelier. Expérimentation Un atelier travaille sur le paramètre taille, l autre sur le paramètre orientation. L enseignant propose à chaque atelier d élaborer un protocole expérimental à l aide du matériel mis à leur disposition : des sources lumineuses (lampes, torches, bougies), des écrans récepteurs, des objets opaques, des règles et des compas. Dans chaque atelier : - les élèves travaillent individuellement sur le cahier d expériences : émission d hypothèses, élaboration d un protocole expérimental ; - ils échangent leurs idées par groupes de 4. Cette confrontation aboutit à une production commune. Chaque groupe mène une investigation et met en forme les résultats obtenus. Le document 2 montre une expérience permettant de faire varier la taille de l ombre. Le document 5 présente une expérience permettant de faire varier la position de l ombre. Mise en commun Les productions de chaque groupe sont analysées par le groupe classe : confrontation, argumentation, validation ou infirmation des hypothèses de départ. Sciences physiques TD n 10 Corrigé 8 / 9
Synthèse et trace écrite - Atelier «taille» La dimension de l ombre dépend de la position de l objet par rapport à la source lumineuse ou de celle de l écran récepteur par rapport à celle de l objet. - Atelier «orientation» Pour un objet fixe la direction de l ombre dépend de la position de la source lumineuse. V. Compétences transversales Le travail de groupe, les discussions et les débats collectifs exigent des élèves le sens de l écoute, du respect de la parole et l autre et de la coopération (éducation civique). La maîtrise de la langue est travaillée à l oral (communication, argumentation, explicitation, hypothèses) et à l écrit (résultats expérimentaux, trace écrite). VI. Prolongements Cette séquence trouve des prolongements dans le thème «Le Ciel et la Terre», comme par exemple : le gnomon et le mouvement apparent du soleil ; le phénomène de l alternance jour et nuit ; les phases de la lune, les éclipses. En technologie, l étude de l appareil photographique pourrait également constituer un prolongement de cette séquence. Des prolongements sont possibles dans d autres disciplines : en mathématiques : la ligne droite, les projections, parallélépipède rectangle ; en arts plastiques : dessiner des ombres, des portraits en noir et blanc ; en français : expressions utilisant le mot ombre, Sciences physiques TD n 10 Corrigé 9 / 9