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