F1 - Peut-on voir la lumière

Optique
F1
Peut-on voir la lumière ?
Il s’agit ici d’amener les élèves à comprendre que l’on ne voit pas la lumière mais que l’on ne peut
voir que des objets, et que la condition pour qu’un objet soit visible est qu’il envoie de la lumière dans
l’œil de l’observateur. En second lieu, les activités suivantes visent à instituer le modèle du rayon
lumineux qui traduit la propagation rectiligne de la lumière dans un milieu homogène.
Activité 1 : Que va-t-on voir dans la boîte ?
La boîte, posée sur la table, est montrée aux élèves, fermée ; l’ampoule est éteinte. L’orifice est
orienté vers la classe ; le professeur le montre et met le cache, il branche l’ampoule. La question
suivante est posée :
Les parois de la boîte
sont noires
un cache devant
le trou
oeil de
l'observateur
“ Il y a une ampoule allumée dans la boîte. De votre place, que va-t-on voir dans la boîte lorsqu’on
enlèvera le cache ? Donnez votre réponse en expliquant pourquoi. ”
Commentaire - Les élèves répondent individuellement. On s’attend à ce que la plupart d’entre eux
répondent que l’on va voir de la lumière dans la boîte. Lorsque les élèves se sont fait une opinion, le
professeur découvre l’orifice de la boîte. Le trou reste noir.
Conclusion : on ne voit pas la lumière dans la boîte.
Activité 2 : Quelle trace va laisser le laser ?
Le professeur présente une source laser éteinte et la dirige vers un mur de la classe. La question
suivante est posée :
“ Lorsque je vais mettre en route le laser, que va-t-on voir ? ”
Commentaire - On s’attend à ce que les élèves prévoient que l’on observe un pinceau rectiligne de
lumière entre la source et le mur.
Conclusion : on ne voit pas la lumière ; seuls des objets peuvent être vus.
Première condition de visibilité d’un objet : un objet ne peut être vu que si de la lumière
provenant de cet objet arrive dans l’œil de l’observateur. L’objet peut :
– fabriquer la lumière qu’il envoie (objet lumineux) ;
– diffuser la lumière qu’il reçoit (objet éclairé).
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
Activité 3 : À quelle condition voit-on directement un objet ?
On présente aux élèves un objet, par exemple une balle de tennis, placé derrière un écran percé
d’une fenêtre rectangulaire. On pose la question suivante :
“ Où doit-on placer l’œil devant la fenêtre, pour voir l’objet complètement, partiellement, pas du tout ?
”
oeil
Les élèves doivent d’abord prévoir leurs réponses en s’aidant du schéma ci-contre sur lequel ils
doivent déterminer, de manière aussi précise que possible, les zones de vision complète, partielle
ou d’invisibilité de l’objet.
Ils sont ensuite invités à vérifier ou à rectifier leurs prévisions en procédant par des visées sur le
matériel et en s’aidant d’épingles piquées pour repérer avec précision les limites des zones. La
réponse attendue est donnée par la figure ci-dessous :
zone d'invisibilité
zone de vision
partielle
zone de vsion
complète de
l'ojet
zone d'invisibilité
zone de vision
partielle
On fait remarquer aux élèves que voir “ complètement ” l’objet, c’est voir “ tous ” les points visibles
alors que le voir “ partiellement ”, c’est n’en voir qu’une partie. La question de la visibilité d’un objet
est donc ramenée à celle de chacun de ses points. On propose alors de rendre compte de ces
résultats en complétant la première condition de visibilité enoncée ci-dessus.
Conditions de visibilité directe d’un objet : on appelle point-objet tout point P susceptible
d’envoyer de la lumière dans toutes les directions de l’espace. Un objet est un ensemble de
points-objets.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
– Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage suivant une ligne droite. On
représente ce phénomène en construisant des droites orientées appelées rayons lumineux.
L’orientation d’un rayon est celle du sens de propagation de la lumière.
– Condition de visibilité d’un point-objet : P sera vu directement s’il est possible de construire un
rayon PO joignant P à l’œil O de l’observateur sans rencontrer une surface limitant le milieu de
propagation de la lumière dans lequel sont placés P et O.
O
P
P
point objet visible
O
point objet non visible
Activité 4 : Exploitation des conditions de visibilité directe d’un objet
Les élèves appliquent les conditions précédentes aux situations suivantes :
– Comment les conditions de visibilité ci-dessus permettent-elles d’expliquer les méthodes de visée
par alignement d’épingles ? (Situations rencontrées en classe de seconde lors du TP sur la
parallaxe.)
– Une source de lumière éclaire une région enfumée de l’espace. Ce que vous observez est-il
compatible avec les résultats obtenus dans les situations précédentes ? Expliquez votre réponse.
Compétences du programme mises en œuvre
Compétences expérimentales et manipulatoires
– Formuler une hypothèse sur un événement susceptible de se produire ou un
paramètre pouvant jouer un rôle dans un phénomène.
– Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse ou
répondant à un objectif précis.
– Élaborer une démarche.
– Faire le schéma d’une expérience.
Compétences transversales
– Décrire une expérience, un phénomène.
– Utiliser le vocabulaire scientifique.
– Rédiger une argumentation.
– Utiliser quelques notions de géométrie.
Pour en savoir plus...
– KAMINSKI W., “ Conceptions des enfants et des autres sur la lumière ”, Bulletin
de l’Union des physiciens, n° 716, 1989, p. 973-996.
– KAMINSKI W., Optique élémentaire en classe de quatrième : raisons et impact
sur les maîtres d’une maquette d’enseignement, thèse de doctorat d’université,
Paris-VII, 1991.
– KAMINSKI W. et SALTIEL, E., “ Un exemple d’évaluation des nouveaux
programmes ”, Bulletin de l’Union des physiciens, n° 786, 1996, p. 1271-1287.
– VIENNOT L., Raisonner en physique, la part du sens commun, De Boeck
Université, 1996.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP