Année universitaire 2013/14 UE PHY124 Optique Géométrique Apprentissage par problèmes APP3 Authenticité des billets de 5 euros Apprentissages visés Fonctionnement d instruments optiques constitués de plusieurs lentilles (ou dioptre), grossissement commercial Tuteurs : P. Delorme, J. Douady, C. Durand, N. Meunier, E. Moraux Conception : N. Meunier E. Moraux
L apprentissage par problèmes (APP), c est quoi au juste? Dans l APP, l apprentissage est basé sur la résolution collective d un problème concret dans le but d apprendre des connaissances précises. Les objectifs pédagogiques sont de trois niveaux : 1 er niveau : Objectifs disciplinaires expérimentaux Définir un protocole expérimental avant toute manipulation Proposer des expériences pertinentes avec le matériel disponible pour illustrer un phénomène physique ou/et pour faire un démonstrateur Avoir une vision prédictive sur les phénomènes physiques étudiés à partir de la théorie Savoir analyser des résultats avec un sens critique 2 e niveau : Objectifs transversaux Savoir travailler en groupe de manière coopérative Savoir rechercher des informations Développer l autonomie, la motivation et la prise d initiative Renforcer la capacité à faire des choix et à évaluer les risques Savoir gérer le temps et les échéances 3 e niveau : l auto-réflexion : être capable d analyser, de comprendre et d évaluer son propre processus d apprentissage. Etre capable de s améliorer continûment en tirant les leçons des expériences vécues. Méthodologie Le travail en groupe Pour apprendre à travailler en groupe, nous souhaitons que vous formiez un groupe d apprentissage coopératif qui réunit les valeurs suivantes: - l esprit de solidarité: «Un pour tous, Tous pour un!» - L écoute et le respect mutuel - Le respect des consignes de travail et des horaires - Une bonne ambiance - L implication de tous (pas de passager clandestin!) L objectif est d optimiser la participation active de chaque étudiant au sein du groupe. C est à chaque membre du groupe d être attentif au respect de ces règles et à implication de tous. Pour que le travail de groupe soit efficace, nous vous recommandons d attribuer des rôles spécifiques qui assureront le bon fonctionnement du groupe (voir page suivante). 2
Travailler en groupe, ça s organise! Pour faciliter le bon fonctionnement du groupe, il vous est fortement conseillé de vous organiser en attribuant au sein du groupe les 3 rôles spécifiques décrits ci-après. Modérateur S assure que le groupe suit les étapes prévues Veille à ce que le contenu de la discussion soit noté par le secrétaire S assure du respect du timing pour chaque étape et du timing général. Il informe régulièrement le groupe du temps qui reste Anime la discussion : o distribue la parole, suscite /sollicite la participation ou modère les interventions o amène le groupe à clarifier les idées développées o réalise des synthèses au besoin Scribe Note au tableau l essentiel des échanges (support et mémoire de la discussion du groupe) Ne filtre pas les informations notées Organise le tableau en fonction des étapes (de manière à garder la trace de toute la réflexion ne pas effacer). Secrétaire Garde une trace écrite et complète de la production du groupe Transmet cette trace par email à tous les membres du groupe. Pour cette séquence APP, inscrivez les personnes volontaires pour chacun des trois rôles (attention à ne pas reprendre un rôle que vous avez déjà effectué!) : Modérateur : Scribe : Secrétaire : Tuteur Guide le groupe : l empêche de s égarer et l incite à aller plus loin Il connaît la réponse au problème mais c est à vous, étudiants, de faire le travail. Vous ne serez donc pas étonnés qu il refuse parfois de répondre directement aux questions que vous vous posez. Ce sera le cas notamment s il estime que cette question n a pas été assez débattue préalablement au sein du groupe. 3
APP3 : Authenticité des billets de 5 euros Objectifs de la situation-problème A l issue de l APP3, vous devriez être en mesure : d obtenir une image nette d un objet à travers un instrument d optique constitués de plusieurs lentilles (ou dioptres) et de la caractériser expérimentalement de caractériser l image d un objet à travers un instrument d optique constitués de plusieurs lentilles (ou dioptres) à l aide du tracé de rayons ET des relations de conjugaison de mesurer et calculer théoriquement le grossissement commercial d un instrument d optique d expliquer le fonctionnement de l objectif et de l oculaire d un instrument d optique Organisation des séances Cet APP est composé de 6 séances encadrées étalées sur deux semaines : Séance d ouverture (1h) : Découverte et première analyse du problème Travail expérimental en binôme (1h45) : Tests et caractérisation de dispositifs simples, première élaboration du dispositif final Séance de mise en commun (1h30) : Comparaison des mesures et discussion collective pour définir le dispositif de caractérisation du billet. Formulation de questions pour alimenter la séance suivante. Séance de question-réponse (1h30 maximum) pour clarifier le cours. Travail expérimental en binôme (1h45) : Mise en œuvre du dispositif final, caractérisation des microlettres Séance de clôture (1h30) : Comparaison des mesures et schémas pour converger vers une explication argumentée du dispositif. Bilan sur les compétences acquises individuellement et sur le fonctionnement du groupe. Entre chaque séance encadrée, un travail personnel est attendu Ressources pour la recherche d information Polycopié de cours (chapitres 6 à 8) Site de la Banque de France Evaluation Une évaluation individuelle de 20 min sera faite à l issue de la séance de clôture de l APP. Elle portera sur les objectifs mentionnés ci-dessus. Cette évaluation comptera dans la note de contrôle continu. 4
Situation - problème Des étudiants ont entendu parler de votre prototype de lunettes d assurage et souhaitent vous en acheter. Ils sont prêts à vous en payer un bon prix mais ne veulent payer qu en billets de 5 euros. Bizarre Surtout que vous venez de lire dans le «20 minutes» qu il y avait une recrudescence de faux billets de 5 euros! L article indique comment reconnaître les vrais billets, en particulier grâce à l existence d un texte minuscule imprimé dans certaines zones du billet et illisible à l œil nu. Il est précisé que ces microlettres doivent être nettes et en aucun cas floues. Vous souhaitez vérifier que vous ne vous êtes pas fait avoir. Vous décidez de vérifier l authenticité de ce billet avec le matériel dont vous disposez à la maison (des loupes, des supports, une lampe). Vous souhaitez notamment pouvoir lire confortablement les microlettres, vous assurez de leur netteté, et en mesurer la taille, afin de vérifier que leurs caractéristiques correspondent bien aux indications données par la Banque de France. A vous de jouer! 5
Séance 1 Salle F1-F2-F3 Séance d ouverture : Découverte et analyse du problème 1h Timing Tâches à réaliser durant la séance 1 5 min Organiser votre groupe : attribuer les rôles (modérateur, scribe, secrétaire) pour le projet. Les personnes choisies doivent être volontaires et si possible différentes des autres APP Inscrivez les à la page 3. 2 15 min 3 30 min 4 10 min Attention : phase individuelle (pas de discussion!) Prendre connaissance du problème : Lire attentivement l énoncé. Essayer de trouver par vous-même des éléments de réponse au problème posé (vous pouvez rechercher les informations utiles dans le cours, si besoin) Mettre en commun votre compréhension du problème et vos premières idées. Noter au tableau toutes vos réflexions en réservant bien une zone pour noter les éléments à éclaircir avec le tuteur. Essayer d orienter vos réflexions autour des points suivants : Est-il possible de lire le texte à l œil nu? Pourquoi? Qu est-ce qu une loupe d un point de vue optique? Comment doit-on utiliser une loupe pour avoir le meilleur grossissement possible? Si la loupe n est pas suffisante, que faire? Présenter au tuteur une synthèse rapide de vos discussions. Prendre connaissance des consignes pour la séance 2 (voir ci-après). Comprendre Organiser le groupe Favoriser l implication et l expression de chacun 6
Consignes pour la prochaine séance Lire attentivement le polycopié du cours (chapitres 6 à 8). Formuler au moins trois questions sur ce cours. Déterminer comment il serait possible de mesurer rigoureusement le grossissement commercial de la loupe en utilisant un mécanisme de projection, pouvant s apparenter au fonctionnement d un œil normal. Travailler individuellement! 7
Séance 2 Salle de TP au 3 e étage du Bât B DLST Séance d expérimentation en binôme 1h 45 Timing Tâches à réaliser durant la séance Premier test : la loupe 1 1 h Expliquer le principe d une loupe (position du billet par rapport à la loupe, nature et position de l image, ). Faire un schéma. Comment varie le grossissement en fonction de la distance billet loupe? Comparer la distance qui vous permet d obtenir le grossissement maximum à la distance focale de votre loupe. Mesurez rigoureusement le grossissement commercial de votre loupe. Pouvez-vous utiliser votre loupe pour répondre au problème posé? Pourquoi? 2 15 min Deuxième test : utilisez votre expérience passée Pouvez-vous utiliser le dispositif 1D de l APP2 pour répondre au problème posé? Pourquoi? Dispositif complexe 3 30 min A partir de vos réflexions sur les deux dispositifs précédents, proposer le principe d un dispositif optique permettant de répondre au problème posé. Consignes pour la prochaine séance (travail individuel) Mettre au propre vos observations expérimentales afin de pouvoir les présenter à l ensemble du groupe lors de la séance 3. Ce document devra contenir au moins les informations suivantes : Les mesures effectuées, les schémas des montages réalisés (loupe, mesure du grossissement) avec les tracés des rayons lumineux, et les réponses aux questions. Le calcul du grossissement théorique de la loupe. Le schéma du dispositif que vous proposez vous permettant de répondre au problème posé. 8
Séance 3 Salle F1-F2-F3 Travail de conception collectif 1h30 Timing Tâches à réaliser durant la séance 1 15 min 2 20 min 3 15 min 4 20 min 5 10 min Mise en commun des résultats expérimentaux obtenus en binôme pour les parties 1 et 2 de la séance 2 Chaque binôme présente et étaye ses résultats expérimentaux (Attention à bien répartir le temps de parole : env. 5 min/binôme) A partir de vos échanges, réaliser collectivement un document synthétique qui réponde précisément (avec justification théorique) aux questions posées lors de la séance 2. Discuter avec votre tuteur de votre document Mise en commun des dispositifs optiques proposés pour répondre au problème posé (partie 3 de la séance 2) Chaque binôme présente et étaye ses résultats expérimentaux (Attention à bien répartir le temps de parole : env. 5 min/binôme) A partir de vos échanges Vous mettre d accord sur le dispositif expérimental (éléments du dispositif, position du billet par rapport à ces éléments, ) Formuler les questions qui subsistent par rapport au cours et les remettre au tuteur sur papier libre (au moins une question par étudiant). 6 10 min Prendre connaissance des consignes pour la séance 5 (voir ciaprès). Elaborer une «To Do List» de ce qui vous reste à faire que vous présenterez au tuteur. Construire une solution argumentée Mise en commun du travail en binôme Favoriser l expression de chacun 9
Consignes pour la séance 5 Maintenant que votre dispositif est défini dans son principe, vous devez le caractériser : Préparer le schéma de votre dispositif optique à l échelle avec le tracé des rayons Faire les calculs théoriques du grossissement commercial de votre dispositif Travailler individuellement! Séance 4 Amphi E2 Séance de questions - réponses 1h 30 max Timing 1 1h30 max Cours de restructuration sur la base des questions des étudiants récoltées lors de la Séance 3. 10
Séance 5 Salle de TP au 3 e étage du Bât B DLST Séance d expérimentation en binôme 1h 45 Timing Tâches à réaliser durant la séance Faire le montage de votre dispositif 1 1h45 Mesurer son grossissement. Comparer votre résultat avec votre valeur théorique Mesurer la taille des lettres et son incertitude Votre billet est-il vrai? Mettre au propre le résultat de vos mesures afin de pouvoir les présenter à l ensemble du groupe lors de la séance de clôture 15 min de pause avant la séance de clôture. 11
Séance 6 Salle de TP Séance de clôture 1h 30 Timing Tâches à réaliser durant la séance 1 15 min 2 45 min Mise en commun des résultats expérimentaux obtenus en binôme et les calculs théoriques Chaque binôme présente et étaye ses résultats expérimentaux (Attention à bien répartir le temps de parole : env. 5 min/binôme) A partir de vos échanges, compléter collectivement votre document. Expliquer précisément le principe du dispositif optique vous permettant de lire et mesurer les microlettres. Expliquer votre mesure de grossissement et son calcul théorique. Discuter avec votre tuteur de votre document 3 25 min Faire un bilan du travail de groupe Individuellement, remplissez le circept et répondez au questionnaire sur le travail de groupe (voir page suivante) (10 min). Comparer vos réponses et tirer un bilan du travail de groupe. Faites part de votre analyse au tuteur. 4 5 min Faire individuellement le bilan de vos apprentissages en complétant le tableau donné à la fin du livret. Vous serez évalué individuellement sur l ensemble des points du tableau lors de la prochaine séance. 12
Auto-évaluation du travail de groupe Circept Faire un bilan du travail de groupe Individuellement, remplissez le circept et répondez aux questions sur le travail de groupe (10 min). Comparer vos réponses et tirer un bilan du travail de groupe. Faites part de votre analyse au tuteur. Donner deux points positifs de votre travail de groupe : Donner deux points négatifs de votre travail de groupe : Quels engagements prendriez-vous pour améliorer votre travail de groupe? 13
Description des axes du circept 4 14
Etude d instruments d'optique Exercices d entraînement 1. Téléobjectif d un appareil photographique A l aide d une lentille convergente de 200 mm de distance focale, on photographie une tour de 30 m de haut située à une distance de 3 km. 1) Quelle sera, sur le cliché, la hauteur h 1 de l image obtenue? Comparer aux dimensions du capteur (24 36 mm). Comment modifier la focale de la lentille pour améliorer l'image? Quel problème cela pose-t-il? 2) On place à 15.5 cm en arrière de la première lentille une lentille mince divergente de distance focale 50 mm. L ensemble de ces deux lentilles constitue un téléobjectif. Quelle est la hauteur h 2 de la nouvelle image? Quelle est la distance l de la première lentille à la plaque photographique (= encombrement)? 3) Quelle serait la distance focale d une lentille mince convergente qui donnerait, à elle seule, une image de même dimension que la précédente? Quel serait alors l encombrement? 2. Le microscope Un microscope est supposé formé de deux lentilles simples convergentes de distances focales respectives f 1 = 8mm pour l objectif, f 2 = 20mm pour l oculaire. 1) La distance séparant les deux lentilles est de 16 cm. L image est nette pour un observateur ayant une vue normale et regardant à l infini sans accommoder. Quelle doit être la distance objet-objectif pour que l observateur voie l image nette sans accommoder? 2) Par quelle grandeur (grandissement? grossissement?) caractériseriez-vous l objectif? Et l oculaire? 3) On adapte à la monture de l oculaire une chambre photographique rigide telle que la distance de l oculaire à la plaque photo soit de 10 cm. De combien faut-il déplacer l oculaire et dans quel sens pour avoir une microphotographie nette? 3. La lunette de Galilée (= lunette terrestre) On fabrique une lunette en utilisant comme objectif une lentille mince convergente L 1 de distance focale > 0 et comme oculaire une lentille mince divergente L 2 de distance focale < 0. Les axes de ces deux lentilles coïncident, et elles sont placées de telle façon que le foyer image de L 1 correspond au foyer objet de L 2. Faire un schéma ; montrer qu un tel dispositif est afocal (= les foyers sont repoussés à l infini) et fournit d un objet à l infini une image «droite». Calculer le grossissement. Application Numérique : = 20 cm, = -5 cm. Remarque : la construction d une lunette de Galilée est très simple, mais son grossissement est très limité (3 à 4), sans quoi son champ devient trop faible ; aussi n est-elle plus guère employée que dans les jumelles de théâtre. Vous pouvez aussi faire les tests d auto-évaluation sur Chamilo à l adresse suivante : http://chamilo1.grenet.fr/ujf/courses/phy124/ 15
Vos apprentissages Pour chaque objectif de cet APP, estimez vous-même le niveau de vos apprentissages après cette séquence : Au terme de l APP, vous êtes capable 1. de déterminer la position, le sens et la taille de l'image d'un objet à travers un instrument optique constitué de plusieurs lentilles à partir d'un tracé de rayon. 2. de déterminer la position, le sens et la taille de l'image d'un objet à travers un instrument optique constitué de plusieurs lentilles à partir des relations de conjugaison. 3. de mesurer le grossissement d un instrument d optique 4. de calculer le grossissement commercial d un instrument d optique 5. de faire un montage optique constitué de plusieurs lentilles permettant d obtenir une image nette et non déformée Oui Non, donc à retravailler 16