Conceptions en optique géométrique

Conceptions en optique
géométrique
Christian Buty
[email protected]
30 novembre 2006
B3C
Plan de l’exposé
• L’optique élémentaire, une
conceptualisation pleine d’obstacles
• La lumière issue d’un objet
• La formation de l’image d’un objet à travers
un système
• Application à une situation de classe
Les obstacles inhérents à l’optique
(1 : issus de la vie quotidienne)
• La perception immédiate des phénomènes lumineux ne
donne accès immédiatement à aucune des caractéristiques
physiques essentielles du modèle (vitesse, nature
ondulatoire ou corpusculaire…)
• L’observation des phénomènes dans les milieux communs
(air, eau) introduit des phénomènes parasites qu’il n’est pas
simple d’interpréter (la diffusion par l’atmosphère)
• L’œil de l’observateur est souvent nécessaire à
l’interprétation scientifique des phénomènes, alors que son
intervention est inconsciente en général (accommodation)
• Le langage porte trace de conceptions préscientifiques des
phénomènes lumineux (ses yeux brillent, la lumière emplit
la pièce)
Les obstacles inhérents à l’optique
(2 : aspects liés à l’instruction)
• Un certain nombre de conceptions en optique
s’appuient aisément sur un raisonnement commun
en cause-effet
• La compréhension de l’optique nécessite souvent
un point de vue interdisciplinaire
• La symbolisation graphique des lois de l’optique
donne souvent naissance à des interprétations non
contrôlées de la part des apprenants
La nature des énoncés qui vont
suivre
facettes : des unités cognitives
appliquées par l’apprenant
dans certaines situations
schème
Although we do not know to what extent
schemes truly express learner’s cognitive
arrangements, we can use them as if they
do, to adequately represent students’
knowledge, to account for the learning
process and to plan effective teaching
(Galili & Hazan, 2000:61)
La lumière issue d’un objet
Le point de vue de la physique :
• un objet lumineux peut être décomposé en
points-sources
• de chaque point-source part un faisceau de
rayons dans toutes les directions de l’espace
La lumière issue d’un objet.
Conceptions (1)
• Le bain de lumière :
– Nous vivons dans un « bain de lumière », d’origine indistincte,
dont la propagation s’apparente plus à celle d’un fluide qu’à la
propagation rectiligne
• Vision de la lumière :
– On peut voir de la lumière de n'importe où, y compris sur le
côté par rapport à sa direction de propagation
La lumière issue d’un objet.
Conceptions (2)
• Un objet lumineux produit des rayons
parallèles qui voyagent à travers l'espace
• La direction horizontale est privilégiée
• La lumière émise par un objet est une
globalité
La formation de l’image
Le point de vue de la physique :
• Sous certaines conditions, tous les rayons
issus d’un point-source se rejoignent à la
sortie du système optique, en un point qu’on
appelle le point-image
• L’ensemble des points-images constitue
l’image de l’objet initial
La formation de l’image.
Conception de l’image voyageuse
• La lumière-émise-parun-objet transporte
« l’image » de cet objet :
 l ’image est observable de
façon délocalisée.
• Cette « image » est une
entité quasiment
matérielle :
 elle peut agir avec des
objets matériels.
Conception de l’image voyageuse.
Conséquences (1)
• L'image d'un objet à travers un système
optique dépend essentiellement de l'objet, et
très peu du système optique
• On peut voir une image sur un écran même
si on enlève la lentille
• Le rôle de l'écran étant de permettre de voir
l'image, il est impossible de voir une image
sans surface pour la projeter
Conception de l’image voyageuse.
Conséquences (2)
• Un cache placé devant la lentille élimine
une partie de l'image
Conception de l’image voyageuse.
Conséquences (3)
• Puisque l’image se déplace le long d’un
faisceau de lumière, un écran d’observation
peut faire apparaître une image où qu'il soit
placé, la mise au point n'a pas lieu d'être
• Les images se comportent comme des
sources lumineuses isotropes pour l'espace
situé après le système optique
Définitions de schèmes pour les phénomènes
optiques
(Galili & Hazan, 2000)
• Le schème de la vision spontanée : la vision
se produit spontanément comme résultat de
la présence de l’œil
– Huit facettes ; exemples : la lumière peut être
vue de côté ; il faut que la lumière illumine
l’objet pour qu’il soit vu par l’œil
• Neuf schèmes au total
Application à la compréhension des
déclarations des élèves en classe
• On demande aux élèves de
prévoir dans quelles conditions
on peut réaliser une
photographie acceptable de la
constellation d’Orion.
Orion
On leur distribue un
matériel (lanterne,
lentille) avec lequel
modéliser la prise de
vue de la constellation.
Où doit-on placer
l’écran (qui représente
la pellicule photo)
pour obtenir une
photographie
acceptable ?
Références pour aller plus loin
• Galili I. (1996). Students' conceptual change in
geometrical optics. International Journal of
Science Education, vol. 18 n° 7, pp. 847-868.
• Galili I., Hazan A. (2000). Learner’s knowledge
in optics : interpretation, structure and analysis.
International Journal of Science Education, vol.
22 n° 1, pp. 57-88.