Expériences d`optique

Optique
- 51 -
- 52 -
Réflexion
Niveau
:
Avant propos
: 10
dans cette leçon, il y a trois possiblités d’expérience
Durée
1h
Niveau :
10 ou 12
Prérequis
:
Circuit et courant électrique (tension, intensité)
Durée
objectif
s :
mesurer
des intensités
de courant
avec un ampèremètre. Ecrire le résultat
Prérequis
- la propagation
rectiligne
de la lumière
des mesures sur un- la
schéma
:
lumiére se propage de la source vers l’œil
matériels
Objectifs :
- rayon incident
Mots clés :
Déroulement:
Méthode :
matériels :
Mots clés :
- rayon réfléchi
- angle d’incidence
- angle de réflexion
-loi de la réflexion
.
- un miroir plan
- Un rapporteur
- la source de lumière peut être
a Une lanterne avec un condenseur et une fente
b Une simple LED alimentée par 2 piles
c Un simple objet quelconque et des épingles
Dans le cas b) ou c) on se sert de polystyrène comme support
Source lumineuse, rayon incident, rayon réfléchi, angle d’incidence, angle
réfléchi, normale, lanterne, objet, image, LED, polystyrène
Déroulement:
Expérience :
Le professeur choisit une des trois expériences suivantes
1° expérience :
L’élève trace le rayon avec le crayon sur la
feuille de papier
miroir
2° expérience :
Si au lycée, il n’y a pas de lanterne, on peut
faire cette expérience :
Un élève du groupe cherche à voir la LED
dans la paille, puis trace les rayons au crayon
sur le papier. D’abord le rayon OI puis SI
polystyrène
LED
papier
S
miroir
2 piles
I
paille
0
- 53 -
3° expérience :
L’élève cherche à voir les épingles alignées. Quand c’est fait, il trace le rayon
passant par toutes les épingles. Ensuite il
retire la feuille de papier.
polystyrène
papier
épingles
Guide pour la 1° expérience (utilisation d’une lanterne)
Objectif
mesurer l’angle d’incidence et l’angle réfléchi
Matériels :
Lanterne, feuille de papier, miroir, rapporteur, règle
Activités:
- projeter la lumière à partir de la lanterne sur le miroir perpendiculairement à la feuille.
- Tracer la normale au miroir au point incident I
- mesurer l’angle i = SIN et r = NIR
on peut faire varier l’angle incident et chercher à mesurer l’angle réfléchi
i
r
comparer les angles i et r.
Guide pour la 2° expérience (utilisation d’une LED comme source)
Objectif
mesurer l’angle d’incidence et l’angle réfléchi
Matériels :
une LED (diode électroluminescente), une résistance de 50 W , 2 piles, une
paille, un miroir plan, un support en polystyrène, des épingles, une feuille
de papier, un rapporteur, une règle.
Activités:
Après avoir vu la lumière dans la paille, nous repérons les deux bouts de la
paille avec un crayon sur la feuille. Nous retirons la paille et nous joignons
les deux points repérés précédemment, puis nous prolongeons jusqu‘au miroir en I.
Nous joignons I jusqu’à la source S
Nous traçons la normale IN perpendiculaire au plan du miroir
Nous mesurons les angles i et r.
i
r
comparer les angles i et r.
- 54 -
Guide pour la 3° expérience (utilisation d‘épingles)
Mettez une feuille de papier sur le polystyrène, ensuite, mettez un miroir plan perpendiculaire au plan du polystyrène. Mettez une épingle devant le miroir. Mettez l’œil en
un point tel qu’on puisse voir l’épingle dans le miroir. Placez la 2° épingle contre le miroir dans la direction œil-image de la première épingle et la troisième près de l’œil de
telle façon que l’épingle qu’on voit dans le miroir, la deuxième et la troisième soient alignées.
Tracez le rayon passant par la première et la deuxième épingle et le rayon passant
par la troisième et deuxième épingle.
Retirez la feuille de papier.
Tracer la normale au plan du miroir passant par la deuxième épingle
Mesurer les angles i et r
i
r
comparer les angles i et r.
Activités du professeur
Le professeur écrit les questions suivantes sur le tableau (ou sur des feuilles) :
Activités des élèves
Quelque soit l’expérience choisie par le
professeur, l’élève a obtenu ce résultat sur
le papier :
-1-Mettez les points sur la feuille de papier : S pour la source, I et I’ les points
où les rayons touchent le miroir. R et
R’ pour l’œil.
-2- tracer les perpendiculaires IN et I’N’
au miroir
-3-Mesurez les angles SIN, NIR et SI’N’,
N’I’R’ et comparez les deux angles (on
néglige les erreurs)
S
-4-Mettez le sens de propagation de la lumière
N
I
N’
I’
R
R’
SIN = NIR
- 55 -
et SI’N’ = N’I’R’
Le professeur demande aux élèves de chercher les noms des rayons et des angles dans
le livre :
-5- comment s’appellent les rayons SI, IR,
SI’, I’R
-6-Comment s’appellent les angles
SIN, NIR, SI’N’ , N’I’R’
En lisant la leçon les élèves répondent aux
questions :
SI : rayon incident
IR : rayon réfléchi
SI’ : rayon incident
I’R’ : rayon réfléchi
SIN : l’angle d’incidence
NIR l’angle de réflexion
SIN’ l’angle d’incidence
N’I’R’ l’angle de réflexion
-7-Nous avons SIN = NIR
et SI’N’ = N’I’R’
Comment sont les angles incidents et réfléchis ?
SIN = NIR ; SI’N’ = N’I’R’
L’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion
Le professeur donne l’indication aux élèves : le rayon incident et le rayon réfléchi
se rencontrent au point I . Donc ils sont
dans le même plan.
Résumé
− I point incident
− IN la normale
− SI le rayon incident
− IR le rayon réfléchi
− i = r : angle d’incidence est égal
− SI et IR sont dans le même plan
à l’angle de réflexion
- 56 -
EXERCICES
1
D
Complétez :
BI = .............................
N
I
ID = ..............................
IN = ..............................
B
2
Repérez l’angle d’incidence :
1
2
1 ;
2 ;
3 ;
4
3
4
3
4
La même question que l’exercice ci-dessus pour l’angle de réflexion
Tracez le rayon incident et le rayon réfléchi
5
Quel est le rayon réfléchi qui correspond au rayon incident ?
1 ;
2 ;
3 ;
4
1
2
3
- 57 -
4
- 58 -
Réfraction de la lumière
Niveau
10
Niveau ::
10
Durée
1
Durée
1 hh
Pré
Requis
:
Circuit
courant électrique (tension, intensité)
Pré Requis :
- rayon et
incident
objectif s
des intensités de courant avec un ampèremètre. Ecrire le résultat
-mesurer
angle incident
des mesures sur un
schéma
:
- la normale
matériels
-le sinus de l’angle
Objectifs :
Mots clés :
Déroulement:
Méthode :
matériels :
Mots clés :
- rayon réfracté
- angle réfracté- angle de réflexion
- découvrir la loi de la réfraction :
n =
sin i 1
sin i 2
- savoir faire la construction d’un graphique
.
- un demi cylindre en verre ou en plexiglas
- une LED, 2 piles et une résistance de 50 à 100 Ω
- rapporteur et feuille de papier
- une paille
- une plaque de polystyrène
- une table trigonométrique ou une calculatrice scientifique
Source lumineuse, rayon incident, rayon réfracté, angle d’incidence, angle
réfracté, normale, objet, image, LED, polystyrène, loi de Descartes
Déroulement:
Activités des élèves
Activités du professeur
1° Montage de l’expérience
polystyrène
a) Le professeur montre l’expérience:
Montage du circuit où il y a 2
piles, une résistance de 50 à
100 W et une LED en série.
Mettre la feuille de papier sur
le polystyrène, ensuite mettre
le demi cylindre sur cette
feuille et placer une épingle au
centre du demi cylindre.
2 piles
Mettre une paille dans une direction où on peut voir la lumière de la LED traverser le
centre du demi cylindre : l’œil,
le centre du demi cylindre et la LED apparaissent alignés.
Recommencer l’expérience pour cinq
rayons différents et tracer ces 5 rayons.
papier
LED
Demi Cylindre en verre ou
en plexiglas
paille
épingles
S
- suivre soigneusement l’expérience
- regarder à tour de rôle le rayon lumineux
par la paille
- 59 -
b) le maître peut avoir déjà préparé des
feuilles photocopiées avec le rayon lumineux .
Il distribue les photocopies aux élèves
(modèle en annexe)
2° Exploiter le résultat
a) donner le nom du rayon lumineux IR
- donner le nom de l’angle i2
- compléter le tableau ci dessous
Chaque élève a le résultat sur le papier
S
i1
i2
I
R
i1
20°
30°
45°
60°
80°
i1
i2
i2
20°
30°
13,5° 19°
45°
60°
80°
28,5° 35°
43°
sin i1
sin i1 0,34
0,5
0,70
0,86
0,98
sin i2
sin i2 0,23
0,32
0,47
0,57
0,68
b) tracer le graphique sin i1 = f(sin i2)
- quelle grandeur placer en abscisse et
quelle grandeur placer en ordonnée ?
- prévoir assez de place : le professeur
peut donner l’échelle (1 cm pour o,1 en
abscisse et en ordonnée)
- le professeur surveille le travaille des
élèves. Un bon élève trace les deux premiers points au tableau.
- le professeur fait la remarque aux élèves :
« au point 0 ; sin i1 = 0 ; sin i2= 0
Ce point est sur le graphique
Les élèves tracent le graphique
« sin i1 en abscisse
sin i2 en ordonnée »
Les élèves regardent le modèle et tracent
les autres points
Tracer le graphique : joindre les points à
la règle en traçant la droite qui passe au
plus près des points.
- 60 -
- Quelle est la forme du graphique ?
- Donner la formule de cette fonction
- déterminez le coefficient directeur à
partir du graphique
-c’est une droite qui passe par O
- sin i1 = a sin i2
a =
sin i 1
sin i 2
On choisit sur l’axe des abscisse
sin i2 = 1 et sur l’axe des ordonnées on lit
sin i1 = 1,5 donc a = 1,5
- le professeur dit aux élèves : « a est
l’indice qu’on note « n » ».
- écrivez la formule en remplaçant « a »
par « n »
sin i1 = n sin i2
- L’indice de l’air est voisin de 1. On le
note n1.et l’indice du verre est n2 = 1,5.
On a la loi de Descartes :
n1 sin i1 = n2 sin i2
En général
n1 : indice du milieu 1
n2 : indice du milieu 2
i1 : angle dans le milieu 1
i2 : angle dans milieu 2
Résumé
S
n1
N
i1
I
1
i2
2
R
− I R rayon réfracté
− i2 angle réfracté qui
correspond à i1,
angle d’incidence
− n1 et n2 les indices de réfraction des
milieux 1 et 2
− La loi de Descartes dit :
a) SI et IR sont dans le plan d’incidence (SI,IN)
b) n1 sin i1 = n2 sin i2
n2
- 61 -
- 62 -
i1
20°
30°
45°
60°
80°
i2
sin i1
sin i2
Coller ici une feuille de papier millimétré
- 63 -
sin i1 = f(sin i2 )
sin i1
1
0,5
0,1
0
sin i2
0,1
0,5
- 64 -
1
EXERCICES
1
Quel peut être le rayon réfracté ?
verre
n = 1,5
air
1
Eau
n = 1,33
1
Eau
n = 1,33
2
2
3
3
2
Un rayon incident se réfracte de l’air dans l’eau . L’angle d’incidence i1 vaut 45°. Tracer le trajet du rayon. Quel est l’angle de réfraction i2?
L’indice de l’air vaut n1 = 1
L’indice de l’eau vaut n2 = 4/3
3
Un rayon incident se réfracte du verre dans l’eau. L’angle d’incidence i1 valant 60°.
Tracer le trajet du rayon.
Quel est l’angle de réfraction i2 ?
Valaeurs des indices : ne = 4/3 ; nv = 3/2
4
Un bloc de verre en forme de demi cylindre a pour indice n= 1,5.
Quel est le trajet suivi par le rayon représenté ci-contre jusqu’à la sortie du
verre.
(O est le milieu de la face plane)
O
30°
S
5
n1
Mettre > ou < dans
n3…….. n2
n2
- 65 -
n1
1
n3
Réponses
1
Air/eau : le rayon 3 ; verre/eau : le rayon 1
2
45°
air
i2 = 32°
eau
3
i2 = 77°
32°
45°
verre
77°
eau
4
R
i1 = 60°
i2 = 35°
35°
O
60°
S
5
n3 <n2
- 66 -
lentilles
1°Avant propos :
Pour étudier les lentilles, il est utile d’avoir une lanterne munie d’un
condenseur et de fentes, qui fournit des rayons parallèles ainsi que des
lentilles cylindriques.
Alimentation de la source en 12V
Lanterne
Déplacer le condenseur pour que
les rayons sortent parallèles
Fentes
Nous ne proposons pas un cours sur les lentilles. Il figure déjà dans les manuels en langue
khmer ou étrangère. Nous présentons seulement un plan.
Nous montrons d’abord des expériences avec la lanterne, mais tous les lycées du Cambodge
ne possèdent ce matériel. Nous montrons donc ensuite quelques expériences illustrant le
cours et ne nécessitant que très peu de matériel : une lentille (loupe, par exemple), une LED,
une résistance et 2 piles, une plaque de polystyrène.
2° Plan des leçons sur les lentilles
1 Définition
type
schéma
2 Foyer
Distances focales
Plan focal
Différence entre lentille convergente et lentille divergente
3 Marche des rayons
passant par le centre
passant par le foyer
parallèles à l’axe
Principe du retour inverse
4 Formules
Mots clés : Lentille, lentille cylindrique, foyer, plan focal, distance focale, axe principal, lentille convergente, divergente, marche des rayons, retour inverse de la lumière,lanterne, LED,
polystyrène
- 67 -
Expériences avec la lanterne
12 V
On déplace le condenseur pour
que les rayons soient parallèles
Comment montrer l’existence du
foyer.
Comment mesurer la distance focale
Comment montrer la différence
entre une lentille convergente et
une lentille divergente
Comment montrer l’existence du
plan focal :
Si on change la direction des
rayons incidents , F se déplace sur
une droite perpendiculaire à l’axe
principal de la lentille
ci- rin len
e p la
Ax l de
pa l e
til
- 68 -
Comment montrer le principe
du retour inverse de la lumière:
S joue le rôle d’une source pour
la lentille L’. Si S est au foyer
de la lentille L’, les rayons
émergents sont parallèles.
L
S
f’
L’
Si on tourne ensuite la lanterne,
S se déplace dans le plan focal.
Les rayons émergents sont parallèles, mais dans une direction
différente de celle de l’axe
Comment montere que les
rayons passant par le centre de la
lentille ne sont pas déviés
- 69 -
Expériences pour montrer le foyer
(avec très peu de matériel)
soleil
Les rayons parallèles à l’axe convergent en
un point appelé foyer.
La distance f est la distance focale.
Mesurer la distance focale
f
Placer la LED au foyer de la lentille. Reculer l’écran : la tache ne change pas de
taille.
Quelle conclusion en tirez-vous ?
Expliquez pourquoi ces expériences illustrent le principe du retour inverse de la lumière
- 70 -
Expérience montrant la formation des images
Objectif :
Pré requis
Matériel
montrer la formation des images.
Appliquer le cours sur la marche des rayons
Les élèves connaissent la marche des rayons
LED, résistance, 2 piles
1 lentille convergente
1 écran (une feuille de papier blanc collé sur une boite)
1 règle graduée.
Expérience montrant la formation des images
Les élèves déplacent l’écran pour
voir l’image de la LED nette.
On mesure d et d’.
d’
d
Le professeur dit alors qu’on pouvait
prévoir la position de l’image
Document donné aux élèves :
On représente l’objet avec le vecteur
AB. On mesure la
distance d, la distance focale f dans
l’expérience ci dessus et on les a reporté sur le document
B
A
O
F
Activité du professeur
Tracer les rayons émergents qui correspondent aux rayons incidents ci dessous:
BI parallèle à l’axe optique
BO qui passe apr le centre optique
BF qui passe par le foyer
Comment sont les rayons émergents ?
Où est l’image du point B
Si on fait la projection B’ sur l’axe principal , on a A’ image de A
Mesurer OA’.
F’
Activité es élèves
Des élèves tracent les rayons émergents:
BI’ émerge de la lentille en passant par F’
BO émerge de la lentille sans dévier
BF émerge de la lentille parallèlement à
l’axe optique
Ils se coupent en B’
C’est B’
Les élèves mesurent OA’ et observent que
la mesure du schéma est presque la même
que celle de l’expérience.
- 71 -
EXERCICES
1
Donner le nom des points d’interrogation
Sens de propagation
de la lumière
F ?
F’ ?
?
?
?
?
Sens de propagation
de la lumière
F ?
?
F’ ?
?
?
?
2
Tracez dans les différents cas représentés sur la figure, le faisceau émergent ou le faisceau incident
B
B
F
F’
F
F’
F
F’
F
F’
F
F’
F
F’
B’
B’
F’
F
F
F’
- 72 -
Réponses
B
B
F
F’
F
F’
F’
F
F’
F
F’
F
F’
F
B’
B’
F’
F
F
F’
- 73 -
Le projecteur de diapositives
NT
E
M
CU
O
Une diapositive est une photo transparente qu’on peut projeter sur un écran
D
Condenseur : les rayons émergents sont parallèles à l’axe
Source lumineuse
placée au foyer du
condenseur
Les grains de la photo sont éclairés uniformément et jouent
le rôle de source
pour l’objectif
Objectif : on peut
le déplacer dans la
direction de l’axe
Ventilateur pour
refroidir la photo
L’écran est placé dans le
plan de l’image de la diapositive
diapo
objectif
écran
F’
F
•
•
•
Plus l’objet est près du foyer, plus l’image est loin.
Si on éloigne l’écran, il faut approcher l’objectif de la diapositive.
Les diapositives doivent être placées à l’envers dans le projecteur.
- 74 -
NT
E
UM
C
DO
L’appareil Photo
1° Principe
Pour comprendre le fonctionnement
d’un appareil photo, on peut faire une
expérience simple: on ouvre l’appareil photo et on met un morceau de
papier calque à la place de la pellicule. . L’appareil est réglé en pose B.
On voit l’image se former à l’envers à
l’emplacement de la pellicule
2° Objectif :
Une simple lentille convergente pour
un appareil bon marché. Pour des appareils plus perfectionnés, l’objectif
est formé d’une association de lentilles. L’association de lentilles peut être
assimilée à une lentille unique. L’objectif est caractérisé par sa distance fo3° Schéma
La pellicule est placée au voisinage du
plan focal plus l’objet est loin, plus la
pellicule devra être près du plan focal.
En réalité, on ne déplace pas la pellicule, mais l’objectif., ça s’appelle la
mise au point.
Sur les appareils perfectionnés, le déplacement est automatique grâce à un
petit moteur
F’
O
4° les différents objectifs
L’angle α délimite les points dont l’objectif peut former une image sur la pellicule. Il est appelé « champ angulaire ».
F’
α
l
α
=
2 2OF '
pour une pellicule 24 × 36
l
O
tg
l
l = 24 2 + 36 2 ≈ 43 mm
36
- 75 -
24
• Pour obtenir un champ voisin de celui de l’œil qui est d’environ 50°, il faut :
α
50 °
= tg
≈ 0, 465
2
2
l
donc
= 0,93 soit OF' ≈ 46 mm
2OF'
Dans le commerce, on a adopté un objectif de 50 mm. C’est l’objectif qui ressemble le
plus à l’œil.
• Un « grand angle », par exemple 70°, doit avoir une distance focale plus petite, 28mm par
exemple. Il permet de photographier un grand champ. Il déforme souvent le bord de la
photo
• Un « téléobjectif » photographie sous un petit angle; il donne l’impression qu’on s’est approché.
tg
• Un « zoom » permet de changer de distance focale sans
changer l’objectif
5° le diaphragme
C’est un écran métallique placé devant la lentille. Il permet de contrôler la quantité de lumière qui impressionne
6° L’obturateur
C’est le dispositif qui laisse passer la lumière pendant un temps déterminé.
7° Utilisation de l’appareil:
a Mise au point : elle se fait en déplaçant l’objectif.
b Tolérance de la mise au point : En principe si ma mise au point est faite sur un personnage ou un objet à 8m, le personnage ou l’objet placé à 9m est flou. Mais à cause de l’imperfection de la pellicule photo et à l’imperfection de l’œil, il peut apparaître net.
On appelle « profondeur de champ » la distance totale où les objets apparaissent nets. Elle
dépend de la qualité de l’objectif et du diaphragme choisi. (par exemple de 2 à 3 m ou de
1,2m à l’infini.) Elle est souvent inscrite sur l’objectif.
Si le diaphragme est ouvert (nombre petit), il y a moins de profondeur de champ
Le grand angle a plus de profondeur de champ C’est la raison pour laquelle les appareils bon marché utilisent le grand angle et ne nécessitent pas de mise au point.
Le téléobjectif a moins de profondeur de champ. On l’utilise pour faire des portraits :
le visage apparaît ainsi net devant le fond flou.
Dans cet exemple la profondeur de champ est de 8 à 10 m.
Les deux joueurs et l’arbre apparaissent nets
8m
9m
10m
- 76 -
c Choix de la vitesse et du diaphragme.
Il permet de déterminer la quantité de lumière qui va impressionner la pellicule. Sur les
appareils modernes, mise au point, choix de la vitesse et du diaphragme peuvent être automatiques.
- 77 -
NT
E
M
CU
O
D
Vue éclatée d’un appareil photo
Levier pour
faire avancer la
pellicule (remplacé
par un moteur sur
les appareils automatiques)
Réglage de
la vitesse
Manivelle pour rembobiner la pellicule
viseur
Bague de réglage
du diaphragme
Bague de mise
au point
Déclenchement
de l’obturateur
Tr
lum ajet
ine d’un
ux
ra
y
Miroir envoyant les rayons lumineux dans le viseur. Le miroir bascule avant le déclenchement
de l’obturateur. Ce système s’appelle « reflex »
Prise de vue avec un appareil reflex :
1° visée
2°
Diaphragme
à pleine ou-
Verre dépo-
Objectif formé de
plusieurs lentilles
pression du déclencheur
Miroir
rabattu
Dia-
pellicule
objectif
mi-
obturateur
Action de la bague
d’ouverture sur le
diaphragme :
Obturateur toujours
Bague de
mise au
Echelle des
distances
- 78 -
Obturateur ouvert
Echelle des
ouvertures
Echelle des
profondeurs
on