les experiences d`optique a bord de "scientibus", un

LES EXPERIENCES D'OPTIQUE A BORD DE "SCIENTIBUS",
UN PALAIS DE LA DECOUVERTE AMBULANT POUR LA PROMOTION
DES SCIENCES AU SEIN DES ETABLISSEMENTS SCOLAIRES
Frédéric Louradour, Dominique Pagnoux, Michel Vampouille
Faculté des Sciences et Techniques de Limoges, 123 avenue Albert Thomas, 87060 Limoges cedex
[email protected]
RESUME
Nous décrivons brièvement dans cette communication plusieurs expériences souvent
spectaculaires, relatives à divers aspects de l'optique (optique instrumentale, optique
ondulatoire, optique guidée…), embarquées à bord de "Scientibus". Bien que certaines
d'entre elles mettent en jeu des phénomènes réputés difficiles à maîtriser, nous
montrons qu'elles présentent une stabilité et une robustesse étonnantes.
1. INTRODUCTION
Lancée en septembre 2003, l'opération "Scientibus", soutenue financièrement par l’Université
de Limoges, l’association Récréasciences, le Rectorat, le Conseil Régional du Limousin et le
CNAM, s’est fixée pour but la promotion, la valorisation et la diffusion de la culture scientifique et
technique dans la Région Limousin. Dans la pratique, "Scientibus" est un ancien autobus de
transport scolaire aménagé en laboratoire d'expérimentation scientifique itinérant, qui se déplace
dans les lycées, collèges et écoles élémentaires de la région afin de présenter in situ des expériences
relatives aux sciences : chimie, physique, biologie, mathématiques, géologie,…. Ces expériences
ont été choisies pour leur aspect récréatif, spectaculaire et esthétique afin de captiver au maximum
le jeune public à qui elles sont destinées. Scientibus est divisé en deux compartiments qui
contiennent chacun une vingtaine d’expériences différentes. De plus, lors de chaque sortie, un
atelier supplémentaire présentant les expériences les plus encombrantes est aménagé dans une salle
de l’établissement d’accueil. L'animation des trois ateliers en parallèle est assurée par des
enseignants chercheurs , des chercheurs CNRS et des étudiants en sciences. Parmi les expériences
de physique proposées, un certain nombre d'entre elles relèvent des différents aspects de l'optique et
de la photonique. Dans la suite de cette communication, nous les présentons brièvement. On pourra
en
retrouver
une
description
illustrée
à
l'adresse
internet
suivante
:
http://www.unilim.fr/scientibus/36manips/36_centre.php .
2. UN PEU D'OPTIQUE INSTRUMENTALE POUR COMMENCER
Scientibus emporte quelques instruments classiques, mais que les enfants ont toujours plaisir
à manipuler : lentille de très grande dimension avec ses effets grossissants toujours amusants,
microscopes (observation d'insectes par exemple), périscope : à l'adresse internet ci-dessus, voir par
exemple "compartiment 1: microscope" et "microscope biologique".
3. DES LOIS DE DESCARTES AUX TELECOMMUNICATIONS HAUT DEBIT
Une série d'expériences a pour thème général "les télécommunications optiques". Les lois de
la réflexion et de la réfraction de Snell-Descartes sont d'abord illustrées en observant la déviation du
trajet d'un faisceau laser envoyé dans un ballon de verre à moitié rempli d'eau colorée, à l'interface
entre les deux milieux (voir sur le site "compartiment2-réflexion totale"). Le concept de réflexion
totale est ensuite exploité pour démontrer la possibilité de guidage d'un rayon lumineux par
réflexions successives dans un tube rempli d'eau colorée (voir "fibre optique liquide1") puis dans un
simple filet d'eau (voir "fibre optique liquide2"). On introduit ainsi la notion de "fibre optique
liquide" bien connue dans les fontaines et jets d’eau illuminés. On poursuit ensuite en présentant
une fibre optique plastique à gros cœur (voir "fibre plastique"), puis des fibres silice pour les
télécommunications. Le faisceau d'un laser He-Ne traverse une roue codeuse avant d'être injecté
dans une fibre multimode qui court au plafond du bus, jusqu'à un écran d'observation (voir "fibre
optique"). Ce système de transmission numérique rudimentaire permet d'introduire les notions de
télécommunications optiques, de performances en termes de portée, de débit, etc. Une diode laser,
avec son modulateur et sa micro-optique d'injection dans un "pigtail" montre un véritable
composant utilisé dans les systèmes haut débit.
Pour les plus grandes classes, l'observation du speckle en sortie amène à la notion de mode de
propagation qui est précisée grâce à une expérience d'excitation sélective de modes transverses dans
une fibre capable de guider 6 modes LP (voir "modes de fibres"). L'extrémité de la fibre,
préalablement effilée à l'acide fluorhydrique, est immergée dans une cellule transparente remplie de
liquide d'indice. Un faisceau laser est adressé sur la fibre à travers la cellule, près de la pointe. La
cellule étant installée sur un dispositif pivotant, l'angle entre le faisceau et l'axe de la fibre est
réglable. Lorsque la direction du faisceau réfracté dans le cœur correspond à celle du vecteur d'onde
associé à un mode, ce mode pur est excité dans la fibre et on peut observer sa distribution d'énergie
sur un écran en sortie. Le basculement de la cellule devant le faisceau produit donc un défilé de
modes du plus bel effet sur l'écran. Cette expérience, réputée délicate à mettre en oeuvre, s'avère en
fait particulièrement robuste puisqu'elle demeure opérationnelle même après un long trajet du bus
ou lorsque le public se déplace sans précaution particulière.
Pour compléter cette séquence sur les communications optiques, si le niveau du public s'y
prête, on peut décrire la technologie de fabrication des fibres optiques en présentant des préformes
MCVD et même évoquer les fibres de nouvelle génération en montrant des préformes et des cannes
de fibres microstructurées…
4. LA LUMIERE EST UNE ONDE
Les notions d'onde propagative ou stationnaire et de longueur d'onde sont d'abord introduites
par quelques expériences comme la corde de Melde observée sous éclairage stroboscopique ou les
ressorts vibrants (voir "compartiment2: corde de Melde" et "compartiment3- ondes" puis,
concernant la stroboscopie en tant que telle, "stroboscopie 2 : la lumière du diable" ). On peut
ensuite évoquer le spectre chromatique de la lumière (voir "compartiment1: arc-en-ciel") puis
présenter différentes expériences amusantes relatives à la synthèse trichrome (voir "compartiment 1:
synthèse trichrome"). Plusieurs expériences illustrent les propriétés et applications des infra-rouges
(voir "caméra infra-rouge") et des ultra-violets : phosphorescence, fluorescence de la quinine (voir
"fluorescence"), fluorescence des pattes et oreilles d'une souris génétiquement modifiée (voir
"souris verte"), fluorescence de minéraux, phosphorescence et photochromisme.
L'interférométrie et ses applications sont abordées via plusieurs expériences spectaculaires
mais dont la description est cependant difficile, voire impossible, dans les petites classes. On montre
d'abord les irisations dans un film de savon éclairé en lumière blanche: on observe l'évolution des
couleurs en fonction de l'épaisseur du film jusqu'à un gris blanc témoignant d'une épaisseur devenue
nanométrique et annonciateur de l'éclatement prochain du film (voir "compartiment2 : film de
savon"). Cette expérience permet aussi de vérifier que les tourbillons créés à la surface d’une bulle
de savon se comportent comme de vrais cyclones ou ouragans dans l’atmosphère (voir
http://www.cpmoh.cnrs.fr/spip.php?article476).
Une expérience d'interférométrie construite autour d'un interféromètre de Wollaston en lumière
blanche muni d’un miroir sphérique de 30 cm de diamètre permet d'observer l'effet de faibles
variations locales de l'indice de réfraction l'air induites par un léger gradient thermique. Par
exemple, on visualise facilement le réchauffement de l'air autour de la main d'un expérimentateur
placée dans le faisceau lumineux (voir "interféromètre"). Il est remarquable de constater l’étonnante
stabilité de cet interféromètre à polarisation (en lumière blanche !) qui ne nécessite seulement que
de très simples ajustements après chaque déplacement du véhicule. Une application spectaculaire de
l'interférométrie est la réalisation d'hologrammes. Nous présentons dans le bus un hologramme de
3 mètres de profondeur et de très grande qualité, qui nous est confié par le Laboratoire d'Optique
PM Duffieux de l'Université de Franche-Comté (Besançon) (voir "compartiment 1 :
l'hologramme"). Il s’agit en fait d’un hologramme d’hologramme ce qui permet d’avoir accès à une
projection finale en avant et en arrière de la plaque holographique (0,5 m2). D'autres hologrammes,
beaucoup plus modestes, sont aussi disponibles.
La polarisation de la lumière et ses applications font aussi partie des sujets qui sont illustrés dans
Scientibus. L'introduction se fait bien sûr en présentant la transmission variable entre polariseurs
croisés. Puis on passe à la photoélasticimétrie permettant la détection de contraintes dans des objets
transparents biréfringents, par l'observation d'effets chromatiques entre polariseurs croisés :
exemple d'une équerre en plexiglas tordue. Enfin, on montre des diapositives faites de lames de
verre sur lesquelles sont collés des films de ruban adhésif biréfringent artistiquement découpés et
empilés. En plaçant un polariseur dans un projecteur en amont de la diapositive et en analysant, par
un second polariseur, le faisceau projeté, on obtient des tableaux colorés abstraits du plus bel effet
sur le public. Le dépôt de cristaux de thiosulfate sur des lames de verre donne aussi de magnifiques
résultats (voir "compartiment 2 : polarisation de la lumière").
5. LA LUMIERE VEHICULE DE L'ENERGIE
Pour aborder les aspects énergétiques de la lumière, rien ne vaut la démonstration qui
consiste à faire éclater un ballon de baudruche éclairé par un faisceau laser suffisamment puissant :
effet garanti sur les grands comme les petits ! Cette expérience est réalisée dans Scientibus à l'aide
d'un laser vert tout solide, en prenant les précautions qui s'imposent : le laser est fixé solidement et
son faisceau est dirigé vers un coin d'une paillasse inaccessible, même aux plus curieux.
Divers exemples de gravure sur différents matériaux ou d'objets découpés au laser sont enfin
disponibles pour illustrer les principales applications des lasers de puissance. Un laser He-Ne
démonté est disponible dans Scientibus. Les notions de photon voire d'émission stimulée peuvent
être abordées, ainsi que le lien entre couleur émise et énergie des photons.
6. CONCLUSION
En s'adressant directement aux jeunes générations, les animations de Scientibus
souhaitent leur donner envie d'apprendre, plutôt que leur faire apprendre. Elles aident aussi les
enseignants du primaire et du secondaire à faire découvrir les Sciences autrement, et elles les
rendent accessibles au plus grand nombre en s'appuyant sur des observations simples et concrètes.
Ces animations et expériences mettent l’accent sur le potentiel scientifique régional, en particulier
dans les domaines des télécommunications et de la photonique. Une vingtaine d'expériences et de
démonstrations en relation avec l'optique et la photonique sont ainsi regroupées dans Scientibus.
Elles permettent d'illustrer, par des phénomènes facilement observables et souvent spectaculaires,
les différents aspects de la lumière et leurs applications, des plus simples (loupe et périscope) aux
plus complexes (holographie). En 2007, Scientibus a effectué 25 sorties dans des établissements
scolaires et participé à diverses manifestations comme la Fête de la Science ou les Journées Portes
Ouvertes de la faculté des sciences de Limoges, accueillant ainsi plus de 4500 visiteurs.