Lunette astronomique

Histoire de l’optique
Optique géométrique (version historique)
2005-2006
1. Propagation rectiligne de la lumière (Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260av. J.-C.)
• Durée : environ 1h00 en classe
• Construction d’une boîte à faisceaux
2. Loi de la réflexion (Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260av. J.-C.)
• Durée : environ 1h30 au laboratoire
• Mesure des angles d’incidence et de réflexion pour trois positions du miroir
3. Loi de la réfraction (Ptolémée, ~90 - ~168 : tables numériques sur la réfraction;
Descartes, 1637 : loi de la réfraction)
• Durée : environ 1h30 au laboratoire
• Démonstration : comparaison entre l’indice de réfraction du verre et celui de l’eau
• Mesure de la longueur focale d’une lentille convergente et d’une lentille divergente
• Identification de lentilles convergentes et divergentes
4. Fabrication d’une lunette (Galilée, 1609) et théorie des lentilles (Kepler, 1611)
• Durée : environ 2h00 au laboratoire
• Fabrication d’une lunette avec deux lentilles
Histoire de l’optique – Géométrie optique d’Euclide à Descartes
1. Propagation rectiligne de la lumière
(Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260 V. J.-C.)
Problème
Vous devez démontrer que la lumière se propage de façon rectiligne en fabriquant une boîte
capable de produire des rayons lumineux rectilignes et parallèles (boîte à faisceaux).
Contraintes à respecter
1. La boîte à faisceaux est construite en équipe de deux.
2. Matériel permis pour construire la boîte :
• une boîte de carton (assez longue mais idéalement pas trop haute);
• une lampe de poche (idéalement halogène et puissante);
• des ciseaux, papier collant et colle;
• une carte de fente construite en carton mince, mais qui ne plie pas (exemple : carton
mince d’une boîte à chaussures ou d’une boîte de céréales, sinon coller au moins deux
feuilles de papier construction).
3. La boîte doit avoir entre 3 et 5 fentes (idéalement 4).
4. Le but est que les rayons lumineux soient les plus parallèles, les plus fins et les plus clairs
possible. Si les fentes sont trop minces, les rayons se dédoublent. Si les fentes sont trop
larges, les rayons lumineux seront aussi trop larges.
Nom : ________________________
Histoire de l’optique – Géométrie optique d’Euclide à Descartes
2. Loi de la réflexion
(Euclide, ~300 av. J.-C. - ~260 V. J.-C.)
Problème
Qu’arrivera-t-il au rayon lumineux du schéma ci-bas ?
Rayon lumineux
Angle 2
Angle 1
Miroir
Contraintes à respecter
Votre réponse doit être solidement appuyée :
1. formuler une hypothèse vérifiable expérimentalement;
2. élaborer une démarche expérimentale pour vérifier votre hypothèse;
3. prendre au moins trois mesures pour vérifier votre hypothèse et présenter vos résultats
dans un tableau;
4. formuler la loi de la réflexion;
5. énoncer votre solution au problème de départ.
1. Hypothèse
(Exemples : L’angle 1 est toujours le double de l’angle 2. Angle 1 = Angle 2. Angle 1 > Angle 2.)
2. Protocole
3. Résultats
Angle 1
Angle 2
Mesure 1
(Exemple : 20o)
(Exemple : 20o)
Mesure 2
(Exemple : 50o)
(Exemple : 20o)
Mesure 3
(Exemple : 70o)
(Exemple : 20o)
Mesure 4
(Exemple : 70o)
(Exemple : 20o)
4. Conclusion (loi de la réflexion)
(À compléter seulement à la fin, lors du retour en groupe sur les résultats.)
5. Réponse au problème
Qu’arrivera-t-il au rayon lumineux incident du schéma ci-bas ?
Rayon lumineux
Angle 1
Miroir
Mesure
Mesure
Matériel nécessaire
(ne pas distribuer au élève cette feuille)
-
Feuilles (une par élève)
15 petits miroirs rectangulaires
15 rapporteurs d’angle
Les élèves apportent :
-
Crayons, efface, règle
Boîte à faisceaux lumineux
Idéalement, les élèves doivent savoir utiliser un rapporteur d’angle.
Nom : ________________________
Histoire de l’optique – Géométrie optique d’Euclide à Descartes
3. Réfraction lumineuse
(Ptolémée, ~90 - ~168 : tables numériques de réfraction; Descartes, 1637 : loi de la réfraction)
Partie A
Trouvez la longueur focale de la lentille __________________ (convergente ou divergente).
Longueur focale (en cm) : _____________
Partie B
Écrivez si les lentilles suivantes sont convergentes ou divergentes.
Lentille
1
2
3
4
5
6
Convergente ou divergente
Matériel réfraction
(ne pas distribuer aux élèves)
Pour la réfraction, les élèves doivent apporter:
- Boîte à faisceaux lumineux
- Crayons, efface
- Règle
Au laboratoire, ils auront:
Partie A (trouver la longueur focale)
- 6 lentilles divergentes
- 6 lentilles convergentes
Partie B (identifier si la lentille est convergente ou divergente)
-6 enveloppes contenant chacune une lentille
Nom : ________________________
Histoire de l’optique – Géométrie optique d’Euclide à Descartes
4. Fabrication d’une lunette avec deux lentilles
(Galilée, 1609 : fabrication d’une lunette; Kepler, 1611 : théorie des lentilles)
Problème
Vous devez construire un appareil permettant de grossir les objets éloignés.
Contraintes
•
•
Vous devez utiliser seulement deux pour construire votre lunette.
Vous devez décrire ci-dessous quels types de lentilles vous avez utilisées (convergentes
ou divergentes) et à quelle distance vous devez placer les lentilles pour percevoir les
objets éloignés clairement.
Schéma de la lunette (écrire le type de lentilles utilisées et la distance entre les lentilles)
Semaine 1 (durée : 1h00)
Construction d’une boîte à faisceaux
Semaine 2 (durée : 1h30)
La réflexion
Semaine 3 (durée : 1h30)
La réfraction
Semaine 4 (durée : 2h00)
Construction d’une lunette astronomique
____________________________________________
L’an prochain, on pourrait…
Semaine 1 (durée : 1h00)
Construction d’une boîte à faisceaux
Semaine 2 (durée : 1h30)
La réflexion
Semaine 3 (durée : 1h30)
La réfraction (nouvelle expérience avec lentilles semi-circulaires)
Semaine 4 (durée 2h00)
Les lentilles (expérience de l’an passé)
Semaine 5 (durée : 2h00)
Construction d’une lunette astronomique