cesire ouvert

CESIRE Ouvert - Plate-forme Optique
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« CESIRE OUVERT »
Visites d’élèves à la plate-forme optique du CESIRE
PhITEM Bâtiment C, 1
er
étage, Université Joseph Fourier
Depuis 2005, Année Mondiale de la Physique, la plate-forme Optique du CESIRE a
été ouverte aux lycéens, mais aussi à quelques classes de collégiens et d’élèves de primaire,
dans le cadre de l’opération 100 parrains - 100 classes et du réseau ASUR ou par contact
direct.
Le but est de montrer la physique de façon plus expérimentale que formelle, en
profitant des possibilités des plates-formes de travaux pratiques du CESIRE, et de faire entrer
les élèves du secondaire, voire du primaire, dans le domaine universitaire en leur présentant
des activités proches de celles faites par nos étudiants, mais accessibles pour eux, et
auxquelles ils peuvent réellement prendre part.
Les activités proposées sont de deux types :
- des démonstrations expérimentales faites par un enseignant de l’université
- des travaux pratiques réalisés par les élèves avec le matériel de l’université
Nous essayons d’interagir au maximum avec les élèves, qui peuvent poser des
questions, voir les expériences de près, manipuler, parfois même réaliser eux-mêmes un objet
et repartir avec.
Les retours sont en général très positifs, surtout quand l'enseignant visiteur a préparé
en amont la visite avec ses élèves et quand le sujet présenté a un rapport direct avec ce que les
élèves ont traité en cours pendant l’année. Il semble également important de faire un travail en
aval, afin que les élèves se sentent plus impliqués pendant la visite et fassent le point après
leur visite (questionnaire évalué, bilan de satisfaction, …).
Actuellement, prêt de 10 enseignants et/ou chercheurs de PhITEM sont impliqués dans
les animations. Nous recevons dans ce cadre au moins 5 classes par an, soit typiquement 200
élèves.
Pour plus d’information, quelques documents utiles :
Page 2 ……………... Présentation des différents thèmes possibles (TP ou démonstrations)
Page 6 …………….. Détails du thème « Lumière et couleurs » (le plus souvent présenté)
Page 10 ……….…... Exemple de texte de TP destiné aux élèves pour suivre une séance
Page 12…………….. Exemple de questionnaire destiné aux élèves, à remplir après la séance
Page 15 ……………. Bilan de visites

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Présentation des différents thèmes de visite possibles
Trois types de visites sont possibles (il est possible de cumuler) :
- « TP »
Un universitaire encadre un groupe de
14 élèves maximum, dans une salle de
travaux pratiques de la plate-forme
(qui dispose de 7 tables, pouvant
accueillir chacune un binôme
d’élèves). Il est alors possible de faire
travailler simultanément tous ces
élèves sur un même thème, choisi en
lien avec le programme du secondaire
mais ouvert sur des enseignements
réalisés au niveau licence (exemple :
instruments d’optique, diffraction, spectroscopie). Ainsi, les élèves peuvent tous
manipuler, aidés par un enseignant qui leur montre comment faire, répond à leurs
questions, donne des explications. Durée : 1h minimum.
- « Démonstration en petit groupe »
Un universitaire encadre un groupe assez restreint d’élèves (typiquement 5 à 12,
suivant les expériences choisies). Il réalise la démonstration d’une expérience de
niveau licence voire master (holographie, télécommunication optique, filtrage
d’images par diffraction, …), en donnant des explications adaptées au public. Les
élèves ne peuvent pas vraiment manipuler, mais les effectifs restreints permettent de
voir l’expérience de près et d’engager une discussion avec l’enseignant. Durée : 20 à
45 min.
- « Démonstration en plus grand groupe »
Un universitaire encadre un groupe de typiquement 12 à 20 élèves. Il fait un
« séminaire » sur un thème donné (ex. : spectroscopie appliquée à la vision des
couleurs et à l’éclairage, ou l’imagerie en 3D), en appuyant son discours sur des
expériences réalisées devant les élèves. Durée : 30 min à 1 h.
- Cours en amphi
Il est possible aussi de faire précéder la visite par un cours en amphi, présentant les
aspects importants des thèmes qui seront ensuite vus en salles de TP en petits groupes.
Cela permet d’accueillir plusieurs classes simultanément, dans un vrai amphi de fac !
Pour accueillir des classes entières en salles de TP, nous pouvons organiser une rotation des
groupes avec 3 ou 4 animateurs en parallèles, présentant des thèmes différents. Pour éviter la
saturation des élèves, il est préférable de ne pas organiser de visite sur plus de trois thèmes
différents, et de prévoir des moments entre deux démonstrations où les élèves se regroupent
avec leur enseignant habituel pour discuter, faire le point, prendre des notes.

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Exemples de thèmes déjà traités ces dernières années
- Lumière et vision des couleurs
Quelle est la nature de la lumière ? Quel est le lien avec les
couleurs des objets que nous voyons ? On aborde par des
expériences les principes de la vision et de la reproduction
des couleurs (suivant qu’on est un peintre ou un éclairagiste,
les mélanges ne sont pas les mêmes !). On voit que la couleur
des objets n’est pas toujours due à un colorant (couleurs
interférentielles des bulles de savon, couleurs de polarisation
sur un plastique observé, diffusion dans le ciel et les nuages).
- Spectroscopie
Les élèves réalisent eux-mêmes la projection
sur écran de spectres de différentes sources
lumineuses (lampes à vapeur atomique, lampe à
incandescence). On met en évidence la lumière
invisible (UV par fluorescence, infrarouge par
chauffage). On aborde les différentes
techniques d’éclairage ambiant (halogènes,
tubes fluorescents, lampes à économie
d’énergie, fluocompactes et LED, lampes
sodium pour l’éclairage urbain), en analysant la
lumière à l’aide d’un spectromètre de
laboratoire. On parle de rendement, d’économie d’énergie. On aborde aussi les
techniques de mélange des couleurs (synthèse additive pour les écrans de TV,
soustractive en peinture) et on fait le lien avec la vision.
- Diffraction
Les élèves réalisent la diffraction d’un
faisceau laser par différents objets (bord
d’écran, fente, trou, …). Ils observent les
figures de diffraction sur un écran ou sur un
capteur CCD. Ils peuvent mettre en
évidence le fait que la diffraction limite la
qualité des images (pouvoir de résolution)
des instruments d’optique. Ils voient
comment la diffraction sur un réseau
(surface d’un CD par exemple) permet de
disperser la lumière et s’en servent pour
réaliser un spectroscope.
- Holographie
On montre comment on réalise un hologramme et ce que cet
enregistrement a de particulier par rapport à la photographie
ou le cinéma « 3D » : il permet réellement de restituer une
image tridimensionnelle d’un objet. On montre quelques
exemples d’hologrammes enregistrés à l’université par nos
étudiants. En particulier, on peut voit comment l’holographie
permet d’étudier en temps réel les déformations fines d’objets,
ou encore de stocker plusieurs informations sur un même
support (multiplexage).

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- Télécommunication optique
On montre qu’un composant
optique (cristal) peut,
lorsqu’on lui applique un
champ électrique, modifier
l’intensité d’un faisceau
lumineux qui le traverse. Ce
phénomène est utilisé pour
transcrire une information sur
un laser, qu’on peut ensuite envoyer dans une fibre optique sur de très longues
distances. Ce principe est à la base des technologies de télécommunications par fibres
optiques, très courantes aujourd’hui. On en montrera un exemple en transportant de la
musique à l’aide d’un laser traversant une fibre optique.
- Filtrage d’image par diffraction
On montre comment on peut
modifier une image en ajoutant un
filtre (cache opaque) à un endroit
bien précis de l’instrument d’optique.
Certains filtres (dits « passe-bas »)
permettent de filtrer les détails fins
d’une image (détramage, ou
comment faire sortir le lion de la
cage !). D’autres (dits « passe-haut »)
permettent de faire ressortir la silhouette d’un objet, lumineuse sur fond noir, ou
encore de « voir l’invisible » (une empreinte digitale sur une lame de verre, du son se
propageant dans l’eau). On fait le parallèle avec les logiciels de traitement l’image, qui
réalisent la même opération de façon numérique. On peut aussi montrer une
application pratique dans un microscope utilisant ces techniques (dites de fond noir et
contraste de phase) très utilisées en biologie et mécanique des fluides, pour rendre
visibles des objets très peu contrastés.
- Mesures interférométriques
On montre un exemple de montage
interférentiel simple (fait uniquement de
miroirs et de lames séparatrices montés sur
un marbre optique, que les élèves peuvent
régler eux-mêmes) éclairé par un laser. On
explique l’existence de franges
d’interférences en réalisant une analogie
avec les effets de moiré (obtenus en
superposant deux transparents sur lesquels
on a tracé des réseaux de lignes). On montre comment toute perturbation de la vitesse
ou du chemin traversé par la lumière dans un des deux bras de l’interféromètre
modifie ces interférences. La grande sensibilité de cette technique est mise en
évidence en faisant varier la pression de l’air : les déformations des franges permettent
de réaliser des mesures d’indice avec une précision relative meilleure que 1
millionième ! Si un objet se déplace de moins d’une faction de micromètre, on le voit !

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- Les couleurs de polarisation
On commence par expliquer simplement ce qu’est la
polarisation de la lumière par analogie avec la vibration
d’une corde. On montre ce qu’est un filtre polarisant et
comment la nature produit de la polarisation par réflexion
ou diffusion. On montre alors que la polarisation peut faire
apparaitre des couleurs sur certains objets (certains
cristaux, certaines matières plastiques). Applications :
microscope polarisant pour les géologues, visualisation de
contraintes mécaniques.
- Les lasers
On montre en quoi la lumière laser est
particulière, comment on peut voir un
faisceau laser par diffusion, comment on peut
changer sa couleur par fluorescence. On
présente quelques applications. On montre en
particulier que le laser permet de facilement obtenir des interférences, montrant que la
lumière est une onde et impliquant diverses applications comme l’holographie par
exemple (le vrai 3D, sans lunettes !).
Pour plus d’information :
- Site web de la plate-forme Optique du CESIRE
https://phitem.ujf-grenoble.fr/formations-et-metiers/plateformes-experimentales-stages-
terrain-et-experiences-en-laboratoire/enseignement-experimental/plate-forme-optique
- Vidéos d’expériences d’optique réalisées à la plate-forme Optique du CESIRE
http://coursouverts.ujf-grenoble.fr/joomla/index.php/physique/54-optique