UAA4 - enseignement Catholique

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Conseils didactiques
Propriétés de la lumière
L’étude de l’optique est l’occasion de mettre en œuvre un tout autre domaine de perceptions que celui
par exemple des énergies mécaniques. Ce qui concerne la lumière fascine particulièrement car cette
dernière est omniprésente : elle nous relie souvent à notre insu les uns aux autres, et au monde,
presque sans discontinuer le long des journées. Ainsi, nous nous servons principalement de la vision
pour effectuer la plupart des mesures et des observations dans tous les domaines scientifiques.
C’est donc parce qu’elle est à la fois objet et moyen d’observation que les élèves ont souvent des
difficultés à appréhender le trajet de la lumière permettant de voir un objet. Ainsi, ils ont conçoivent
difficilement que c’est l’œil qui doit recevoir de la lumière de l’objet. Certains pensent que la vision est
due à la présence d’un « bain de lumière ». D’autres pensent que l’œil reçoit de la lumière
directement de la source lui permettant de voir l’objet, ou que quelque-chose part de l’œil vers l’objet.
Les élèves raisonnent souvent comme si la lumière était elle-même un objet visible. Ainsi pensent-ils
qu’un faisceau de lumière peut être vu de profil.
Les élèves confondent souvent les phases de la Lune et les éclipses de Lune.
Les élèves pensent enfin parfois que le prisme colore la lumière blanche.
Développements attendus
Comparer différentes sources lumineuses, notamment sur le plan énergétique et de la luminosité (C1).
L’élève utilise différentes informations pour commenter l’efficacité de sources lumineuses.
Décrire la composition de la lumière blanche (C2).
L’élève précise l’ordre des principales couleurs observables dans le spectre de la lumière blanche.
Expliquer le phénomène d’éclipse de Soleil ou de lune à partir d’un texte simple ou d’une expérience
montrée (T1).
L’élève explique le phénomène d’éclipse de Soleil ou de Lune à l’aide d’un texte simple ou d’un
schéma.
Exemples de situations d’apprentissages
 Etudier les variations de l’éclairement en fonction du type de source (bougies, lampes diverses) et
de la distance par l’observation du contraste entre deux surfaces juxtaposées. (Voir fiche
d’expérience « Etude de l’éclairement par contraste ») → C1
 Demander de citer des exemples d'objets lumineux puis de les classer en utilisant le critère
suivant : les objets « fabriquent » eux-mêmes ou non leur lumière. Montrer à travers différents
exemples que la lumière, produite à partir de différentes formes d’énergie, peut se transformer
elle-même en d’autres formes d’énergie. Justifier ainsi que la lumière est elle-même une forme
d’énergie. → C1
 Relever les spécifications techniques de différentes ampoules (LED, fluocompacte,
incandescente, halogène…) et les comparer aux éclairements qu’elles produisent à une certaine
distance. → C1
HGT-SCB
Physique
UAA4

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 Utiliser différents procédés permettant de décomposer la lumière. (Voir fiche d’expérience « La
décomposition de la lumière ») → C2, C5
 Observer la présence apparente de couleurs complémentaires dans des expériences de
contrastes juxtaposés ou consécutifs. (Voir fiche d’expérience « Illusions colorées ») → C1, C2
 Recréer une photo donnant une impression de troisième dimension par la méthode de séparation
des couleurs. (Voir fiche d’activité « Création d’une photo en 3D ») → C2, C8
 Mener une investigation visant à montrer que la lumière se propage en ligne droite et permet de
transmettre des signaux, par exemple à l’aide de la boîte « Photonics » (voir à ce sujet notre fiche
technique « Expérimenter avec Photonics » ). → T1
 Réaliser une composition à l’aide d’ombres chinoises mettant en œuvre la propagation rectiligne
de la lumière. (Voir fiche d’activité « Ombres chinoises ») → T1
 Faire constater et expliquer la non visibilité d’un faisceau de lumière issu d'une lampe de poche en
milieu non diffusant et sa visibilité en milieu diffusant. Réduire la largeur du faisceau par des
caches pour parvenir au modèle du rayon de lumière. → T1
 Analyser des documents décrivant les conceptions historiques à propos des conditions de
visibilité d'un objet et du sens de propagation de la lumière entre la source, l'objet et l’œil de
l’observateur. → C1, T1
 Expliquer le phénomène d’éclipse de Soleil ou de Lune au moyen d’une expérience. (Voir fiche
d’expérience « Les éclipses ») → T1
Notions mises en place
 La lumière est un rayonnement directement perceptible par l’œil humain. Lors de sa
production, une forme d’énergie primaire se transforme en énergie lumineuse dans une source
lumineuse. Lors de sa disparition, par exemple lors de son absorption par une substance, de
l’énergie lumineuse se retransforme en d’autres formes d’énergie.
 Le flux lumineux (Φ), qui s’exprime en lumens, est la quantité de lumière émise par unité de
temps par la source lumineuse, en tenant compte de la sensibilité de l’œil humain.
 L’éclairement lumineux (E), qui s’exprime en lux, est le flux lumineux par unité de surface (S) :
𝐸 = 𝛷
𝑆.
 Un objet est transparent si la lumière peut le traverser et si on peut voir distinctement ce qui se
trouve derrière, il est translucide si la lumière peut le traverser mais si on ne peut pas voir
distinctement ce qui se trouve derrière et il est opaque si la lumière ne peut le traverser.
 La lumière se propage dans le vide à une vitesse d’environ 300 000 km/s, sa vitesse varie en
fonction du milieu.
 Dans un milieu transparent homogène, en première approche, la lumière se propage de
manière rectiligne. Elle forme des faisceaux ou pinceaux de lumière délimités par des lignes
droites. On peut schématiser la propagation de la lumière par des rayons de lumière
représentés par des segments de droite fléchés.
 Lorsque la lumière provenant d’une source lumineuse arrive sur un objet opaque, elle peut
entre-autres être diffusée, c’est-à-dire être renvoyée dans un grand nombre de directions. A
l’arrière du corps opaque, il se forme une zone d’ombre où la lumière de la source ne parvient
pas. Si la source lumineuse est suffisamment petite par rapport à l’objet et qu’on n’est pas trop
loin de celui-ci, la zone d’ombre est délimitée par une surface appelée cône d’ombre.
 Un objet peut être vu s'il reçoit de la lumière d'une source lumineuse et la diffuse vers l'œil de
l'observateur.
 La Terre est une planète, qui tourne autour du Soleil, et la Lune est un satellite de la Terre, qui
tourne autour de la Terre. Le Soleil émet lui-même de la lumière, tandis que la Lune diffuse la
lumière qu’elle reçoit du Soleil.
 Parfois, au cours de leurs mouvements, les 3 astres sont alignés :
o Quand la Terre se trouve entre le Soleil et la Lune, la lumière du Soleil ne peut traverser
la Terre pour éclairer la Lune et un observateur terrestre assiste à une éclipse de
Lune.
o Quand la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre, la lumière du Soleil ne peut traverser
la Lune pour parvenir à un observateur terrestre, et celui-ci assiste à une éclipse de
Soleil.

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 Les phases de la Lune (nouvelle Lune, premier quartier, pleine Lune, dernier quartier) sont
dues à l’angle sous lequel un observateur terrestre voit la partie de la Lune éclairée par le Soleil,
en fonction de la position des trois astres. Elles n’ont rien à voir avec les éclipses.
 La lumière blanche est composée d'un mélange de plusieurs lumières colorées. Il est possible
de la décomposer en rouge, orange, jaune, vert, indigo, bleu et violet à l’aide d’un prisme
transparent. Ces sept couleurs sont appelées monochromatiques car elles ne sont elles-mêmes
pas décomposables. On peut obtenir à nouveau de la lumière blanche en les réunifiant.
Remarques pour le professeur
Quels sont les limites de l’optique géométrique ?
La lumière a une double nature, ondulatoire (onde électromagnétique) et corpusculaire (photons).
L'optique géométrique, basée sur la propagation rectiligne de la lumière, fait abstraction de la
nature de celle-ci et n’est valide que lorsque les dimensions des objets rencontrés sont bien
supérieures à la longueur d'onde de la lumière. Certains phénomènes (diffraction, interférences,...)
ne peuvent être expliqués dans ce cadre.
Pourquoi se méfier de l’expression « rayon lumineux » ?
Le rayon lumineux représente la trajectoire hypothétique de la lumière passant par un point donné
et est donc un modèle. Il est impossible d’isoler expérimentalement un tel rayon, la lumière passant
dans un trou de l’ordre du dixième de millimètre subissant le phénomène de diffraction. De plus,
l’adjectif « lumineux » laisse entendre que le rayon est lui-même visible, alors que ce ne sont que
les obstacles que rencontre la lumière sur sa trajectoire qui la mettent en évidence.
On veillera donc à parler plutôt de faisceaux ou de pinceaux de lumière quand on décrira une
expérience, et on réservera l’expression de rayon de lumière en référence avec des schémas, des
lois ou des procédures (la limite de l’ombre portée par un objet, les lois de la réflexion ou la
réfraction en un point d’incidence, les rayons particuliers pour la construction de l’image d’un
objet…).
Comment aborder la propagation rectiligne de la lumière ?
Avant d’observer la trajectoire d’un pinceau de lumière dans l’air, par exemple en vaporisant de
l’eau dans le passage d’un faisceau laser, on montrera comment on utilise la vision pour aligner
des objets, ou pour vérifier l’aspect rectiligne d’une planche. Par contre, on sera prudent en
utilisant des systèmes permettant d’étaler un faisceau de lumière sur une table ou un tableau : bien
que très spectaculaires, ils peuvent entretenir des représentations erronées chez les élèves à
propos de la visibilité d’un faisceau de lumière. On considérera donc ces systèmes comme
permettant d’illustrer les propriétés de la lumière, mais non de les démontrer.
Faut-il parler de l’absorption de la lumière ?
Lorsque la lumière arrive sur un objet opaque, elle peut être diffusée, mais aussi absorbée. Bien
que la notion d’absorption permette d’expliquer pourquoi les objets prennent telle ou telle couleur,
elle ne doit pas être étudiée. Il sera toutefois éventuellement utile d’évoquer des liens avec le
cours de chimie sur les liaisons chimiques (UAA 5 au 3ème degré en SCB), ainsi qu’avec le cours
de physique sur les liens entre lumière et matière (UAA 8 au 3ème degré en SCG).
Les zones d’ombres ont-elles toujours des limites précises ?
Lorsqu’on place un objet opaque devant une source lumineuse assez grande, la zone d’ombre qui
se forme à l’arrière est généralement entourée par une zone de pénombre où la lumière ne
parvient qu’en partie. La notion de pénombre ne doit pas être abordée.
Vaut-il la peine d’enseigner la chambre noire ?
La chambre noire, formée d'une boîte trouée d'un côté et fermée de l'autre par un écran
translucide, est une application intéressante de la propagation rectiligne de la lumière. Mais si on
veut obtenir une image nette sur l’écran, on doit imaginer que le trou est ponctuel, de manière à ce
qu’un seul rayon de lumière correspondant à un point objet puisse former une image. Ceci est
contradictoire avec la définition de l’image au sens optique du terme et peut être un obstacle à la
compréhension de la formation de l'image par une lentille. Toutefois, la chambre noire peut être
très utile pour réaliser des observations du soleil sans danger.
Faut-il détailler les différents types d’éclipses ?
Les différents types d’éclipses de Lune (totale, partielle, par la pénombre) et de Soleil (totale,
partielle, annulaire) ne doivent pas être vues.

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A quel moment aborder la dispersion chromatique ?
La décomposition de la lumière blanche pourra soit être abordée dès le début de cette UAA, en
montrant que l’œil est sensible à toute une gamme de rayonnements s’étalant du rouge au violet.
On pourra alors faire le lien avec l’énergie thermique abordée en fin d’UAA3, en montrant que la
lumière est un rayonnement de la même famille que le rayonnement thermique. On peut aussi
reporter ce point après l’étude de la réfraction, comme application de la double déviation de la
lumière par un prisme. Les synthèses additives et soustractives des couleurs ainsi que la couleur
des objets ne doivent pas être vues en sciences de base.
Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante
 Biologie – UAA1 : la photosynthèse
 Les illusions d’optique, la persistance rétinienne…
 La vision en mode nocturne et diurne, et le lien avec la sécurité routière
 Les panneaux solaires thermiques et photovoltaïques
 Toutes les sources lumineuses (étoile, flamme, luciole ou ver luisant, lampe à incandescence,
LED, tube luminescent, …)
 L’arc-en-ciel.
Réflexion et réfraction
Dans de nombreuses situations de la vie quotidienne, l’image observée semble « magiquement » déplacée par
rapport à l’objet de départ. Une des difficultés majeures des élèves, et aussi le défis de cette section, sera
d’établir les liens entre les caractéristiques des images et la déviation de faisceaux de lumière par des surfaces
réfléchissantes ou des dioptres. Le concept de rayon de lumière devra être ici utilisé avec discernement.
Par ailleurs, les élèves confondent souvent diffusion et réflexion.
Développements attendus
Vérifier expérimentalement les lois de la réflexion sur un miroir plan (A1).
L’élève vérifie que le pinceau lumineux réfléchi est dans le même plan que la normale et le pinceau incident, puis
il vérifie l’égalité entre les angles de réflexion et d’incidence.
Décrire comment la lumière se réfléchit sur un miroir (C3).
L’élève énonce les deux lois de la réflexion spéculaire.
Identifier la réflexion spéculaire ou diffuse dans une situation de la vie quotidienne (C4).
Identifier la réfraction de la lumière (sans formule ni calcul) dans une situation de la vie quotidienne (C5).
Identifier la réflexion totale dans une situation de la vie quotidienne (C6).
Dans une situation de la vie quotidienne, l’élève associe :
 la réflexion spéculaire à la présence d’une surface réfléchissante et à la vision d’une image quand
l’observateur et l’objet sont situés du même côté de la surface ;
 la réflexion diffuse à la présence d’une surface réfléchissante et à l’absence d’image ;
 la réfraction à la présence d’un dioptre et à la vision d’une image déplacée par rapport à l’objet quand
l’observateur et l’objet sont situés de part et d’autre du dioptre ;
 la réflexion totale à la présence d’un dioptre et à l’impossibilité pour l’observateur d’observer une image d’un
objet situé de l’autre côté du dioptre.
Décrire les utilisations et le fonctionnement d’une fibre optique (C7).
L’élève explique le transfert d’informations par l’intermédiaire d’une fibre optique en utilisant la notion de réflexion
totale.

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Exemples de situations d’apprentissages
 Observer et caractériser les images produites lors d’une réflexion spéculaire. (Voir fiche
d’expérience « Réflexion de la lumière ») → A1, C3, C4
 Vérifier l’emplacement de l’image d’une bougie par réflexion sur une vitre en plaçant une
deuxième bougie identique de l’autre côté de la vitre à la position supposée de l’image. → A1
 Observer quelques phénomènes impliquant la réfraction (bâton brisé dans un verre, pièce
dédoublée au fond d'un aquarium, profondeur apparente d'un récipient, objet en verre rendu
invisible en étant plongé dans de la glycérine…). (Voir fiche d’expérience « Réfraction et réflexion
totale de la lumière ») → C5
 Montrer les phénomènes de réfraction et de réflexion partielle en trois dimensions à l'aide d'un
pointeur laser en milieu diffusant et d'un aquarium rempli d'eau colorée, et montrer le principe de
retour inverse. → A1, C3, C5
 Etudier expérimentalement le comportement l'angle de réfraction en fonction de l'angle
d'incidence pour différents milieux. Faire observer le sens de la déviation du faisceau lumineux en
fonction des milieux. → C5
 Découvrir expérimentalement que la réfraction de la lumière diffère en fonction de sa couleur afin
d’expliquer la décomposition de la lumière blanche par un prisme. (Voir fiche d’expérience « La
décomposition de la lumière ») → C2, C5
 Montrer une expérience de réflexion totale et rechercher les conditions qui doivent être vérifiées
pour obtenir celle-ci. → C6, C7
 Transmettre de la manière la plus efficace possible des informations d’un groupe d’élève à un
autre en utilisant une fibre optique et 3 LEDs de couleurs différentes. → C7
Notions mises en place
 La réflexion spéculaire est le brusque changement de direction que subit un faisceau de
lumière lorsqu’il rencontre une surface dite réfléchissante : le faisceau de lumière retourne dans
le milieu d’où il vient tout en étant dévié dans une direction particulière. Un observateur peut
alors voir l’image d’un objet situé du même côté que lui par rapport à la surface réfléchissante.
Cette image est en tout point semblable à l’objet observé, sauf qu’elle est renversée. Elle est
virtuelle car elle ne peut être captée sur un écran.
La direction d’un rayon réfléchi dépend de la direction du rayon incident correspondant par
rapport à la normale au miroir au point d’incidence. Ces directions sont liées l’une à l’autre par
les deux lois de la réflexion :
o Le rayon réfléchi se trouve dans le plan formé par le rayon incident et la normale ;
o L’angle de réflexion (formé par le rayon réfléchi et la normale) est égal à l’angle
d’incidence (formé par le rayon incident et la normale).
En cas de réflexion diffuse, un observateur ne peut voir d’image d’un objet : chaque pinceau
de lumière incident est réfléchi dans une autre direction.
 La réfraction est le brusque changement de direction que subit un faisceau de lumière lorsqu’il
rencontre la surface de séparation (ou dioptre) de deux milieux homogènes transparents : le
faisceau de lumière pénètre dans le nouveau milieu dévié dans une direction particulière. Un
observateur peut alors voir l’image d’un objet situé de l’autre côté du dioptre déplacée par
rapport à l’objet.
La direction d’un rayon réfracté dépend de la direction du rayon incident correspondant par
rapport à la normale au dioptre au point d’incidence, de la couleur de la lumière et de la nature
des deux milieux. Tout milieu peut ainsi être caractérisé par sa réfringence : lorsqu’un faisceau
lumineux passe d’un milieu moins réfringent à un milieu plus réfringent, il s’approche de la
normale ; il s’en éloigne dans le cas contraire.
 La réfraction d’un faisceau lumineux sur un dioptre s’accompagne toujours d’une réflexion
partielle. Lorsque le faisceau vient d’un milieu plus réfringent pour aller vers un milieu moins
réfringent et que l’angle d’incidence dépasse une valeur limite, la réfraction n’est plus
possible et le faisceau est entièrement réfléchi : on parle alors de réflexion totale.
En cas de réflexion totale, un observateur ne peut voir l’image d’un objet situé de l’autre côté du
dioptre.