Optique au cycle central

Sommaire

PRÉFACE

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AVANT-PROPOS

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LES TEXTES OFFICIELS LE PROGRAMME DE PHYSIQUE-CHIMIE AU COLLÈGE

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INTRODUCTION AU PROGRAMME D’OPTIQUE EN 5e PROGRESSION THÈME 1 : SOURCES DE LUMIÈRE LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES A1 - DÉMARCHE D’INVESTIGATION : LES SOURCES DE LUMIÈRE A2 - HISTOIRE DES SCIENCES : ALHAZEN A3 - THÈME DE CONVERGENCE « ÉNERGIE » : LES PANNEAUX SOLAIRES THERMIQUES THÈME 2 : PROPAGATION RECTILIGNE DE LA LUMIÈRE LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES B0 - ÉVALUATION DIAGNOSTIQUE B1 - ACTIVITÉ EXPÉRIMENTALE INTRODUCTIVE : LA VISUALISATION D’UN FAISCEAU DE LUMIÈRE B2 - ACTIVITÉ EXPÉRIMENTALE : RÉALISATION DE VISÉES AU TRAVERS D’ÉCRANS TROUÉS B3 - ÉVALUATION GÉNÉRALE THÈME 3 : OMBRES LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES C1 - DÉMARCHE D’INVESTIGATION : LES OMBRES C2 - HISTOIRE DES SCIENCES : LE THÉORÈME DE THALÈS THÈME 4 : LE SYSTÈME SOLEIL - TERRE - LUNE LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES D1 - HISTOIRE DES SCIENCES : L’OBSERVATION DES ASTRES ET LA NAISSANCE DE LA SCIENCE D2 - HISTOIRE DES SCIENCES : LE SYSTÈME SOLAIRE, LA ROTONDITÉ DE LA TERRE D3 - ACTIVITÉS COLLECTIVES ET DOCUMENTAIRES : LES PHASES DE LA LUNE D4 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : LES ÉCLIPSES D5 - UNE ÉVALUATION PARTICULIÈRE : LA TERRE ET LE SOLEIL

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25 28 31 32 39 41 45 46 47 48 50 51 52 56 59 60 63 67 71 75

Sommaire

INTRODUCTION AU PROGRAMME D’OPTIQUE EN 4e PROGRESSION

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THÈME 1 : LUMIÈRES COLORÉES ET COULEUR DES OBJETS LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES A1 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : RÉALISATION D’UN SPECTRE CONTINU A2 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : RÔLE D’UN FILTRE COLORÉ A3 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : OBTENTION DE LUMIÈRES COLORÉES PAR

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SUPERPOSITION

DE LUMIÈRES COLORÉES

A4 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : LA COULEUR D’UN OBJET EN LUMIÈRE COLORÉE A5 - HISTOIRE DES SCIENCES : LE TRICHROMATISME A6 - ÉVALUATION GÉNÉRALE THÈME 2 : LENTILLES MINCES : FOYERS ET IMAGES LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES B1 - DÉMARCHE D’INVESTIGATION : DÉCOUVERTE DES LENTILLES ET FORMATION DES IMAGES B2 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : LA DISTANCE FOCALE D’UNE LENTILLE CONVERGENTE B3 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : LES IMAGES DONNÉES PAR UNE LENTILLE CONVERGENTE B4 - ÉTUDES DOCUMENTAIRES : UN AUTRE TYPE DE LENTILLE B5 - HISTOIRE DES SCIENCES : LA FORMATION DES IMAGES B6 - ÉVALUATION GÉNÉRALE : LA FORMATION DES IMAGES

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THÈME 3 : L’ŒIL ET LA VISION LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES C1 - DÉMARCHE D’INVESTIGATION : L’ŒIL, ORGANE DE LA VISION - DOCUMENT PROFESSEUR C2 - DÉMARCHE D’INVESTIGATION : L’ŒIL, ORGANE DE LA VISION - DOCUMENT ÉLÈVES C3 - CORRECTIONS DES DÉFAUTS DE L’ŒIL : DOCUMENT PROFESSEUR C4 - ACTIVITÉS EXPÉRIMENTALES : CORRECTIONS DES DÉFAUTS DE L’ŒIL

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THÈME 4 : LA VITESSE DE LA LUMIÈRE LES INSTRUCTIONS OFFICIELLES D1 - HISTOIRE DES SCIENCES : LA VITESSE DE LA LUMIÈRE D2 - HISTOIRE DES SCIENCES : QUELQUES TECHNIQUES DE

141 142 MESURE DE LA VITESSE DE LA

144 149 151 155

LUMIÈRE

D3 - VOYAGER À LA VITESSE DE LA LUMIÈRE D4 - ÉVALUATION GÉNÉRALE ANNEXE

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L’œil et la vision

C1 - DÉMARCHE D’INVESTIGATION : L’ŒIL, ORGANE DE LA VISION - DOCUMENT PROFESSEUR LA SITUATION DÉCLENCHANTE Pour amener la structure de l’œil et son fonctionnement, en début de séance le professeur évoquera par quelques questions judicieuses les appareils qui reçoivent de la lumière et la façon dont ils « utilisent » cette lumière. Le professeur en profitera pour rappeler en temps voulu les notions requises pour comprendre la modélisation de l’œil.

• Connaissez-vous des appareils qui reçoivent de la lumière ? « L’appareil photo, la caméra, l’écran de cinéma… » • Comment fonctionnent-ils ? À quoi sert la lumière qu’ils reçoivent ?

Le professeur commence par une manipulation avec le rétroprojecteur, la classe étant rassemblée autour de lui, puis pour l’investigation proprement dite, les élèves utilisent les bancs d’optique pour essayer d’obtenir l’image d’un objet.

Les documents à fournir aux élèves figurent après cet exposé de la conduite de la démarche d’investigation.

L’APPROPRIATION DU PROBLÈME PAR LA CLASSE L’expérience est effectuée par le professeur.

Pour comprendre le fonctionnement de ces appareils puis, par la suite, de l’œil, on utilisera le bloc optique du rétroprojecteur comme récepteur de lumière, l’image se formant sur une feuille de papier blanc.

Écran (papier blanc)

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L’œil et la vision

Les élèves se trouvent autour du rétroprojecteur, celui-ci est pointé vers une fenêtre assez bien éclairée afin d’obtenir (après les divers réglages qui seront demandés aux élèves) l’image du paysage extérieur sur l’écran.

Le bloc optique est déréglé volontairement.

• Comment faire pour obtenir une image correcte du paysage avec le rétroprojecteur utilisé ?

LA FORMULATION DE CONJECTURES, D’HYPOTHÈSES On attend les réponses des élèves, on sélectionne en discutant ensemble puis on demande à un élève de régler la position du bloc optique du rétroprojecteur pour que l’image formée soit dite « bien nette ».

Pour cela, il faut qu’il joue sur la distance « écran - lentille » en bougeant la partie supérieure.

• De quoi est composé le bloc optique du rétroprojecteur ? « Il est composé d’un miroir et d’une lentille » On demande aux élèves d’admettre que le miroir ne sert qu’à faire pivoter l’image de 90°, ce qui peut être délicat car un miroir donne aussi une image… mais qui ne peut pas se recevoir sur un écran ! Si nécessaire, faire la démonstration avec un miroir plan ce qui peut s’avérer bien utile pour ôter toute suspicion.

• Quelle est la partie du rétroprojecteur qui permet d’obtenir une image ? « La lentille » On explique que la lentille du rétroprojecteur est essentielle pour la formation des images mais qu’il faut qu’elle soit « bien » située par rapport à l’écran.

Pour former une image, il faut que la lentille soit placée à une distance donnée de l’écran.

L’image obtenue sur l’écran est inversée par rapport à l’objet observé.

L’INVESTIGATION Matériel - Un banc optique - Une lentille convergente de distance focale f’ = 10 cm - Un écran - Une lampe - Un objet (lettre F) On fait rappeler que seules les lentilles convergentes permettent d’obtenir une image sur un écran.

Protocole En disposant de tout le matériel sur la paillasse, l’élève cherche à obtenir l’image de l’objet sur un écran. La lampe est placée au début du banc optique. L’objet est au repère « 0 ».

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L’œil et la vision

Indiquez sur le schéma ci-dessous l’ordre d’emplacement des matériels utilisés et les distances éventuelles qui les séparent.

Objet

0

Banc optique

L’ACQUISITION ET LA STRUCTURATION DES CONNAISSANCES Formalisation des connaissances • Quel est l’ordre des instruments utilisés ? « Lampe objet lentille convergente écran » • Comment est formée l’image sur l’écran ? « L’image est formée à l’envers. » Depuis la position précédente, on approche l’objet de la lentille qui reste en place.

• Que se passe-t-il ? « L’image devient floue ! » • Dans ces conditions, que faut-il faire pour obtenir une image nette ? « Il faut bouger la lentille ou l’écran. » CONCLUSION Pour former une image, il faut que la lentille soit placée à une distance bien précise de l’écran. Cette distance peut changer si l’objet est loin ou près. Et l’image obtenue est à l’envers !

L’OPÉRATIONNALISATION DES CONNAISSANCES EN LES APPLIQUANT À L’ŒIL De la lentille à l’œil : la formation des images dans l’œil.

L’œil est un « instrument d’optique » dont l’ensemble des milieux transparents est assimilable à une lentille convergente dans laquelle le « cristallin » joue un rôle particulier.

L’objectif est de faire un parallèle entre la manipulation réalisée précédemment lors de l’investigation afin d’obtenir l’image d’un objet sur un écran et la formation des images dans l’œil.

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L’œil et la vision

a) Étude préliminaire Complétez les phrases ci-après avec les mots du schéma (vous pouvez vous aider d’un dictionnaire) : Les rayons de lumière issus d’un objet entrent dans l’œil par la pupille.

Sous l’action des milieux transparents de l’œil (la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin et l’humeur vitrée) les rayons de lumière convergent et forment l’image de l’objet sur la rétine ; le nerf optique transmet ensuite les informations au cerveau.

Rétine Iris Cornée Pupille Nerf optique

Cristallin Humeur aqueuse Humeur vitrée

Schéma de la coupe de l’œil

b) Transposition « du banc optique à l’œil » À l’aide des expériences que vous avez réalisées lors de l’investigation (vous pouvez les refaire si nécessaire avec le même matériel) et des schémas ci-après : • Expliquez comment, d’après vous, l’image de l’objet se forme sur la rétine représentée sur le banc optique par un écran.

• Reproduisez le trajet de la lumière, qui permet de former l’image de la lettre F sur la rétine de l’œil, sur le schéma de droite.

DISPOSITIF OPTIQUE

MAQUETTE DE L'ŒIL

Objet

Banc optique

Objet

Lentille Écran

• Décrivez en quelques phrases comment vous êtes passés de la maquette de l’œil à l’œil lui-même.

Remarque pour le professeur : les tracés réalisés sur les schémas ci-dessus qui sont fournis dans les documents élèves ne peuvent guère être des schémas d’optique « traditionnels » car le cheminement des rayons de lumière dans une lentille n’est pas connu des élèves de collège.

Tout au mieux, on ne peut espérer que ce qui suit :

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L’œil et la vision

MAQUETTE DE L'ŒIL

Objet

Banc optique

Lentille Écran

En bougeant l’écran, on remarque que les rayons lumineux convergent tous en un point. En éloignant encore l’écran, on trouve l’image de l’objet nette mais inversée. c) Formalisation des connaissances • Sur le banc optique, quel matériel remplace l’ensemble du système convergent de l’œil ? « La lentille. » • Sur le banc optique, grâce à la lentille, sur quel support l’image se forme-t-elle ? « L’écran. » • Grâce au système convergent de l’oeil, sur quel organe l’image se forme-t-elle ? « La rétine. » • Comment se présente l’image de l’objet sur l’écran ? « L’image se forme à l’envers. » • L’image est-elle de même taille que l’objet ? « Non, l’image est de taille différente, elle est plus petite. » • À quel organe vital le nerf optique transmet-il les informations sur l’image de l’objet reçue sur la rétine ? « Au cerveau. » • Pourquoi ne voit-on pas les objets à l’envers et pourquoi les images sont-elles de tailles différentes ? « Les informations concernant l’image de l’objet sont interprétées par le cerveau qui retourne l’image, la remettant à l’endroit. Les images sont de tailles différentes selon la distance de l’objet à l’œil : plus l’objet est loin, plus l’image est petite. » L’œil possède un capteur de lumière : la rétine.

Les cellules de la rétine (les cônes pour la vision en couleurs et les bâtonnets pour la vision nocturne) reçoivent la lumière et la transforment en signaux électriques.

Les nerfs transmettent ces signaux au cerveau qui les interprète pour restituer une image « redressée » car, sur la rétine, les images des objets se forment à l’envers.

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L’œil et la vision

iris cornée rétine

lumière

cristallin

nerf optique

d) Conclusion L’œil, représenté en coupe, peut se modéliser en ne retenant que les organes essentiels : - la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin et l’humeur vitrée formant « la lentille » ; - la rétine formant l’écran.

PROLONGEMENT : L’ACCOMMODATION Dans ce que nous venons de réaliser, l’objet, la lentille et l’écran qui en recueille l’image sont à des distances bien précises les uns des autres.

Si l’objet bouge, la lentille étant fixe, il faut bouger l’écran pour conserver une image correcte.

Or dans l’œil, la lentille est fixe par rapport à l’écran qu’est la rétine : le cristallin ne peut ni avancer, ni reculer... ni le fond de l’œil se déplacer !

Comment l’œil s’adapte-t-il à la vision de loin et à celle de près ?

Pour voir les objets aussi bien de loin que de près, le cristallin se déforme en se bombant sous l’action des muscles ciliaires. Il fait ainsi varier sa distance focale ce qui permet aux images des objets regardés de toujours se former sur la rétine. On dit que l’œil accommode suivant la distance à laquelle se trouve l’objet : c’est le phénomène d’accommodation.

Mais le cristallin a ses limites : - lorsqu’il est au repos, non contraint à se déformer, il permet à un œil normal de voir nettement, sans effort, les objets placés à « l’infini » (en réalité à plus de 6 mètres). On dit que l’œil observe à son punctum remotum ; - lorsqu’il est bombé au maximum, on dit que l’œil observe au punctum proximum qui, pour un œil normal adulte, est fixé à 25 cm de l’œil.

Les élèves fixent un mot sur leur cahier puis ils approchent le cahier de leurs yeux. Jusqu’à une certaine distance l’image du mot reste nette puis elle devient floue, on dit que l’œil n’arrive plus à accommoder.

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