Un enseignement de l`optique géométrique en

Optique
Un enseignement de l’optique géométrique en première
scientifique
La plupart des situations de la vie courante dont la physique rend compte par l’optique géométrique sont
des situations d’observation directes ou effectuées par l’intermédiaire d’un instrument. Dans quelle
condition voit-on tel objet, complètement, partiellement ? Où se trouve ce que l’on voit dans un miroir ?
Que voit-on en regardant à travers une lentille, dans une paire de jumelles, dans un microscope ? Dans tous
les cas, l’œil et le cerveau de l’observateur jouent un rôle déterminant dans la perception.
L’objectif de cet enseignement vise avant tout à construire le concept d’image en poursuivant et en
approfondissant ce qui a été entrepris au collège. Il ne s’agit donc pas de procéder à une étude exhaustive
des lentilles minces et des instruments d’optique habituels (étude qui est envisagée dans l’enseignement
de spécialité en classe terminale S). Il importe plutôt de donner aux élèves l’occasion d’étudier la position
et les caractéristiques de l’image observée dans un miroir, à travers une lentille convergente ou un
instrument simple. Ils comprendront par là-même que l’œil et surtout le cerveau, habitués dans la vie
courante à la propagation rectiligne de la lumière, sont en quelque sorte abusés lorsque la lumière est
déviée de sa trajectoire rectiligne1.
Pour satisfaire cet objectif d’enseignement, on s’interroge au début sur les conditions de visibilité directe
d’un objet. L’accent est ainsi mis sur le fait que l’on ne “ voit ” pas la lumière mais les objets. Les élèves
savent que la propagation rectiligne explique la vision directe des objets2 : un point-objet est vu et localisé
dans un milieu transparent homogène si l’œil de l’observateur reçoit directement de la lumière en
provenance de ce point, c’est-à-dire s’il est possible de concevoir dans le milieu de propagation un rayon
rectiligne joignant le point-objet à l’œil.
Lorsque cela est impossible, soit l’œil ne reçoit pas de lumière du point-objet et celui-ci est invisible, soit de
la lumière issue du point-objet arrive dans l’œil mais les conditions de propagation sont telles qu’il n’y a pas
propagation rectiligne. C’est ce dernier cas qui nous intéresse principalement dans cette partie du
programme de première S : les élèves doivent comprendre que le point qu’ils observent, appelé
point-image, ne coïncide plus avec le point-objet (ré)émetteur de la lumière reçue et donc que l’image d’un
objet est une interprétation involontaire effectuée par le cerveau conditionné à la propagation rectiligne de
la lumière3.
Pour conduire ces études d’identification et de localisation des images, on privilégie des situations
d’observation d’objets diffusants éclairés. Les TP proposés se font donc généralement en plein jour et non
dans l’obscurité. La lumière utilisée est celle du Soleil ou de l’éclairage artificiel de la salle.
1 L’image n’est pas, pour autant, une hallucination, entendue comme une pure élaboration cérébrale. L’observateur interprète, de
fait, une perception rétinienne bien réelle. Un appareil photographique, mis à la place de l’œil, donnera une photographie de
l’image. Mais l’observation de la photographie obtenue ne permettra pas de dire si on a photographié un objet matériel ou une
image optique de celui-ci.
2
L’objet peut être lui-même source de lumière ou, ce qui est le plus fréquent, réémetteur de lumière par diffusion. On évitera de
compliquer les choses inutilement en n’employant ici que le terme “ d’objet ” de préférence à ceux de sources primaires et
secondaires.
3
Il n’est pas nécessaire à ce niveau de distinguer les notions d’image réelle et d’image virtuelle. Le terme d’image suffit pour rendre
compte de ce qui est perçu. Ces notions ne seront introduites qu’en classe terminale (enseignement de spécialité) lorsque, avec
celles d’objets réels et virtuels, elles deviendront nécessaires pour comprendre le fonctionnement de systèmes optiques plus
complexes.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
La démarche suivie pour étudier l’image donnée par un miroir ou une lentille est toujours la même : on
commence par chercher à la localiser. On s’interroge ensuite sur le chemin effectivement suivi par la
lumière. On modélise alors ces phénomènes en construisant, sur une représentation de la situation, des
rayons “ lumineux ” ; on justifie à cette occasion les règles de construction et on écrit les relations
correspondantes.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP