ENSEIGNER
dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Optique 1S
  -  Première (Première (prog. 2011))  -  Physique

Activité 2: Modèle de l'optique géométrique et description de l'oeil

 

Lire le modèle de l’optique géométrique distribué et répondre aux questions suivantes :

  1. A l’aide de trois schémas différents, représenter un faisceau de lumière divergent, puis convergent puis parallèle.
  2. Citer quelques milieux transparents homogènes et isotropes. Citer au moins un exemple de milieu transparent inhomogène.
  3. Donner des exemples de situations de la vie courante exploitant la propagation rectiligne de la lumière.
  4. Faire l’expérience décrite dans le &2.Rôle du cerveau, page 223 du Hatier. En vous servant du schéma c page 223, expliquer comment la dernière phrase de l’alinéa 6 du modèle rend compte du fait que la pièce paraisse plus proche de la surface de l’eau qu’elle ne l’est en réalité.

Corrigé: Modèle de l'optique géométrique et description de l'oeil

  1. L’air, l’eau, le verre, le vide peuvent en général être considérés comme des milieux transparents homogènes et isotropes.

L’air au-dessus d’un sol très chaud, une solution aqueuse saturée en chlorure de sodium sont des milieux transparents inhomogènes.

  1. Toutes les expériences de visée, de contrôle d’un alignement sous-entendent que la lumière se propage en ligne droite. Il en est de même de l’allure de l’ombre d’un objet opaque.
  2. « Habitué à interpréter les sensations lumineuses conformément au principe de propagation rectiligne de la lumière », l’observateur du schéma c de la page 223 du Hatier considère la lumière qui pénètre dans son oeil comme sil elle provenait en ligne droite d’un point. Ce point est celui d’où semblent diverger les rayons qui modélisent le flux de lumière. Il est situé plus près de la surface libre du liquide que le point O de la pièce.

But: Modèle de l'optique géométrique et description de l'oeil

Cette activité a pour but de donner dus sens au modèle de l’optique géométrique reprenant les connaissances vues au cours des années précédentes. Ce modèle sera complété au cours des activités à venir.

Préparation: Modèle de l'optique géométrique et description de l'oeil

L’enseignant distribue et lit les six premiers alinéas du modèle et donne sens au texte. Il le relie aux acquis antérieurs des élèves.

Les commentaires peuvent porter sur :

- la représentation de la lumière par un rayon qui peut se faire sous la forme d’une droite, d’une demi-droite ou d’un segment selon les situations ;

- le terme « flux de lumière » qui peut poser problème aux élèves ; on peut leur demander de tracer eux-mêmes les trois types de faisceaux ;

- ce que signifie la dernière phrase du texte. L’observation d’un petit objet au fond d’un récipient (d’abord vide puis que l’on remplit d’eau) qui avait permis d’illustrer la réfraction en seconde, permet cette année d’illustrer le conditionnement du cerveau à la propagation rectiligne (alinéa 6).

On peut aider les élèves à donner du sens au modèle grâce à des expériences simples :

- faire fonctionner un laser dans l’air et demander aux élèves de décrire la situation en utilisant les termes de l’alinéa 1. Faire remarquer la différence de description de cette situation selon qu’on adopte le point de vue de l’optique ou celui de l’énergie. Justifier le choix des physiciens de représenter par un rayon la lumière émise par le laser (alinéas 3 et 4).

- illustrer ce qu’il se passe lorsque le milieu de propagation n’est pas homogène en interposant une cuve contenant une solution saturée en chlorure de sodium (Au moins 300g.L-1). Au voisinage du chlorure de sodium déposé au fond de la cuve, le gradient de concentration est suffisamment élevé pour incurver nettement la marche de la lumière ;

- illustrer les notions de faisceaux parallèles, convergent et divergent en les visualisant sur un écran blanc grâce à des lentilles cylindriques.

Comportement des élèves: Modèle de l'optique géométrique et description de l'oeil

L’optique géométrique fournit une bonne occasion d’aider les élèves à distinguer ce qui relève des situations matérielles de ce qui relève de leur modélisation. « Lumière » et « flux de lumière » sont réservés pour décrire le monde des objets et des événements, « rayons de lumière » et « faisceaux de lumière » sont réservés au monde des théories et des modèles D’autre part, nous avons préféré utiliser les expressions « rayons ou faisceaux de lumière » moins ambiguës que « rayons ou faisceaux lumineux ». En effet, cette dernière formulation incite les élèves à attribuer à un rayon lumineux le même statut qu’un objet lumineux et donc à mettre lumière et représentation de la lumière sur un même plan. D’autre part, l’expression « rayon lumineux » renforce une erreur classique des élèves selon laquelle la lumière peut être vue sans pénétrer dans l’œil. Toutes les expériences de visualisation de la lumière grâce à la diffusion les incitent à le penser.

Pour aider les élèves à bien différencier ce qui relève des situations matérielles de ce qui relève de leur modélisation, on peut profiter des expériences de cours, en particulier celle utilisant le laser et celle illustrant les différents types de faisceaux de lumière. Ces expériences permettent :

- de faire associer les mots et concepts du modèle aux objets matériels (source, milieu, récepteur, homogène, isotrope, rayon et faisceau de lumière) ;

- de présenter comme naturelle la modélisation par une portion de droite sans épaisseur ou par des faisceaux.

Il faut faire attention aux confusions que ces manipulations peuvent entraîner (surtout si on utilise un nuage de craie ou une cuve à eau saturée en chlorure de sodium pour mieux visualiser la lumière) et y revenir plus tard dans la séance, au cours de l’activité 2 « vision de la lumière ». Ces expériences risquent en effet de convaincre les élèves qu’ils peuvent voir une lumière qui ne pénètrerait pas dans l’œil.