La lumière : source et propagation rectiligne
 
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 MathsPhysiC                                            Cinquième : L'optique


 

Objectifs

Démarches d’investigation :

A quelles conditions peut-on voir un objet?

● Dans une pièce obscure tu ne vois rien. Si tu allurnes la lampe, les objets qui t'entourent deviennent visibles. Quel rôle joue la lampe?

 

I-Sources de lumière

1-Analyse de documents

● Observe le documents. Quels sont: 

  -les objets qui produisent de la lumière ?

  -Les objets qui sont éclairés par une source de lumière?                         

                                                

2-Interprètation :

● La lampe du spot lumineux, la flamme du feu de camp, la coulée de lave incandescente et les étoiles produisent leur propre lumière : ce sont des Sources Primaires de lumière.

● L’arbre, les personnes autour du camp et la Lune sont visibles s’ils sont éclairés par une source primaire de lumière. Ils ne produisent pas leur propre lumière ; ils diffusent la lumière qu’ils reçoivent : ce sont des Objets Diffusants.

 

3-Conclusion :

● Il existe deux types de sources de lumière :

les sources primaires qui produisent leur propre lumière ;

les objets diffusants qui doivent êtres éclairés pour être vus.

 

II-Condition de visibilité d’une source primaire

Quelle est la condition pour voir une source primaire de lumière?

 

1-Expériences :

Tu disposes d'une boîte, peinte intérieurement en noir et d'une lampe.

Place ton œil devant le trou A puis devant le trou B.

Place une feuille de papier devant chacun des trous A et B et regarde si la feuille est éclairée.                              

Glisse, successivement dans la fente de la boîte, un écran en carton, une plaque de plexiglas,

et regarde par le trou A.                                                                                                   

                                                                  

 

2-Observation :

● La lampe n’est visible que par le trou A.

● La feuille de papier n’est éclairée que devant ce trou.

● Lorsque l’on interpose un écran en carton, on ne voit plus la lampe par le trou A. On la distingue nettement avec la plaque de plexiglas.

 

3-Interprètation :

● Grâce à la feuille de papier, on a montré que de la lumière issue de la lampe sort par le trou A. D’autre part, l’observateur ne voit la lampe que si son œil est placé devant ce trou : pour voir la lampe, il faut que de la lumière issue de celle-ci arrive dans l’œil.

● L’écran en carton arrête la lumière : il est OPAQUE.

● La plaque de plexiglas laisse passer la lumière : elle est TRANSPARENTE.

 

4-Conclusion :

● Pour voir une source primaire, il faut que de la lumière issue de la source pénètre dans l’œil de l’observateur.

● La lumière peut traverser un objet transparent, mais pas un objet opaque.

 

Ne regarde jamais des sources lumineuses très intenses: le Soleil un laser, un poste de soudure à l'arc. Cela pourrait te rendre aveugle!

 

III-Condition de visibilité d’objets diffusants

● Tu vois ton livre, les murs de ta classe, ton camarade assis à coté de toi. Pourtant, ce ne sont pas des sources primaires. Pourquoi voit-on les objets qui nous entourent?

 

1-Expérience

● Tu disposes d'une boîte, peinte intérieurement en noir et d'une lampe. Introduis par la fente un écran mobile blanc.

● La lampe étant éteinte, regarde à l'intérieur par le trou B.

● Allume la lampe. Regarde à nouveau par le trou B.

Que vois-tu?

● Place une feuille de papier près du trou B.Qu'observes-tu?

● Recommence l'expérience avec un écran mobile noir. Observes-tu une différence ?          

 
2-Observation :
● Lorsque la lampe est éteinte, on ne voit rien par le trou B.

● Lorsque la lampe est allumée et l’écran blanc convenablement orienté :

    -on voit, par le trou B, une partie de l’écran ;

    -on observe une tâche lumineuse sur la feuille de papier placée devant ce trou.

● Avec l’écran noir et la lampe allumée, on ne voit pas l’écran et la feuille de papier n’est pas éclairée.

 

3-Interprètation :

● On voit l’écran blanc lorsqu’il est éclairé. Dans ce cas, il diffuse de la lumière vers nos yeux ; cette lumière diffusée peut éclairer tout autre objet correctement placé.

● L’écran noir est éclairé, mais on ne le voit pas. Il ne diffuse pas de lumière.

 

4-Conclusion :

● Un objet diffusant est un objet qui renvoie, dans toutes les directions, une partie de la lumière qu’il reçoit.Il peut ainsi éclairer d’autres objets.

● Pour voir un objet, il faut qu’il soit éclairé et que de la lumière qu’il diffuse pénètre dans nos yeux.

 

Thème de convergence

 

 

Objectifs

Démarches d’investigation :

Les maçons utilisent parfois des faisceaux laser pour s'assurer que les briques soient bien alignées.

Quel chemin suit la lumière pour aller d'un point à un autre?

● Comment la lumière se propage-t-elle ?

● On peut voir, parfois, des rais de lumière provenant des interstices des volets fermés. Comment peut t'on visualiser le trajet de la lumière?

 

I-Propagation de la lumière


1-Expérience

Tu disposes d'une lampe électrique et de trois écrans munis de plusieurs trous.

Allume la lampe. Place sur la table les trois écrans. Déplace les écrans pour voir la lampe à travers trois trous.

Peux-tu faire passer une tige droite et rigide par l'un des trous de chaque écran?

Comment la lampe et ces trois trous sont-ils disposés? Que peut-on dire du trajet de la lumière?          

                                                                

2-Observation :
● Lorsque la lampe est visible, la position des écrans est telle qu’on peut introduire la tige droite par les trois trous jusqu’à la lampe.

 

3-Interprètation :

● Les trois trous et un point de la lampe sont alignés : la lumière se propage en ligne droite, de la lampe jusqu’à l’œil. Le trajet est donc rectiligne.

 

4-Conclusion :

● La lumière se propage en ligne droite : la propagation de la lumière est rectiligne.

● Le trajet suivi par la lumière est un rayon de lumière. On le shématise par une demi-droite qui part de la source. Le sens de propagation de la lumière est indiqué par une flèche.

 

II-Faisceaux de lumière

1-Expérience

Grâce à un brumisateur, créons un brouillard entre un projecteur et un écran :

nous voyons se former un cône de lumière!
                                                             

Chaque gouttelette d'eau est une source secondaire de lumière qui reçoit la lumière du projecteur et la diffuse:

on peut de cette façon visualiser le fais­ceau de lumière. 
                                                              

          
2- Observation :

● Avant d’enflammer le papier, on ne voit pas le trajet de la lumière.

● On ne voit le trajet de la lumière que lorsque celle-ci traverse la fumée du papier d’Arménie qui brûle.

 

3-Interprètation :

● La lumière est invisible dans un milieu transparent comme l’air.

● Lorsque le papier brûle, on voit les particules de fumées éclairées, car celles-ci diffusent la lumière. Elles permettent de visualiser le FAISCEAU DE LUMIÈRE émis par la lampe.

 

4-Conclusion :

● Un faisceau de lumière est invisible, mais on peut le visualiser à l’aide de petites particules (poussières, gouttelettes) qui diffusent de la lumière.

 

III-Ombres

Plus le Soleil est bas sur horizon, plus ton ombre s'allonge. Peut-on prévoir la forme et la position de l'ombre d'un objet?

 

1-Expérience :

Éclaire, avec une source lumineuse de petite dimension (source ponctuelle), un écran percé de deux trous.

Dispose une balle entre la source et l'écran.

l'écran est-il éclairé en totalité?

Quelle partie de la balle n'est pas éclairée?

Regarde au travers de chacun des trous de l'écran en direction de la source de lumière.

Par quel trou peux-tu voir la source de lumière?

 Place une bille entre la balle et l'écran.

Où doit se trouver la bille pour qu'elle ne soit pas éclairée?                                 

                                                       

2-Observation :

● L’écran n’est pas totalement éclairé. On observe une tâche sombre et circulaire appelée OMBRE PORTÉE de la balle.

● Sur la face de la balle placée du côté de l’écran apparaît une zone sombre appelée l’OMBRE PROPRE de la balle.

● On voit la source de lumière par le trou T1 mais pas par le trou T2.

● Entre la balle et l’écran, il existe une zone d’ombre où la bille n’est pas éclairée ; cette zone est appelée CÔNE D’OMBRE de la balle.

                                                     

         

3-Interprètation :

● La balle arrête une partie de la lumière issue de la source de lumière.

● L’ombre portée reste noire, même dans le cas d’une source colorée.

 

4-Conclusion :

● Lorsqu’un objet, placé devant un écran, est éclairé par une source de lumière de petite dimension (source ponctuelle), on observe :

-une zone non éclairée sur l’objet : l’ombre portée de l’objet ;

-une zone non éclairée sur l’écran : l’ombre portée de l’objet ;

-une région sans lumière entre l’objet et l’écran : le cône d’ombre.

 

Thème de convergence

 

 

Objectifs

Démarches d’investigation :

Quels sont les mouvements de la Terre et de la Lune?

Comment interpréter les phases de la Lune ainsi que les éclipses?

                                         

I-Les mouvements de la Terre et de la Lune

 

Les mouvements de la Terre et de la Lune

Comment se déplace la Terre autour du Soleil et comment se déplace la Lune autour de la Terre?

 

1-Analyse de documents

● Trajectoire de la Terre autour du Soleil et trajectoire de la Lune autour de la Terre. La Terre tourne sur elle-même. La distance Terre-Soleil est de 150 millions de kilomètres.

Image du système Terre-Lune, prise par la sonde spatiale Mariner 10. La distance Terre-Lune est de 380 000 km

● Pourquoi les deux trajectoires ne sont-elles pas représentées à la même échelle?

● Recherche dans un dictionnaire la définition du mot satellite. Pourquoi la Lune est-elle appelée satellite naturel de la Terre?
      
                                                                                                                                                                                  

2-Interprètation :

● La Terre tourne autour du Soleil, à une distance de 150 millions de kilomètres. Le plan de sa trajectoire est le plan de l’écliptique.Elle effectue le tour du Soleil en une année.

 

3-Conclusion :

● La Terre tourne autour du soleil et en effectue le tour en une année.

● La Lune tourne autour de la Terre et en effectue le tour en 4 semaines environ.

● Le plan de la trajectoire de la Lune est incliné par rapport au plan de la trajectoire de la Terre.

 

II-Les phases de la Lune

La Lune change d’aspect au cours d’un mois: Ces différents aspects constituent les phases de la Lune. Comment les interpréter?

                                      

1-Expérience :

Tu disposes d'une lampe représentant le Soleil et d'une balle de tennis figurant la Lune. Ta tête représente la Terre.

Déplace la balle autour de toi. Observe la forme de la zone éclairée de la balle.

Quel est l'aspect de la balle dans les positions CD ?    

 

2-Interprètation :

● Le Soleil éclaire toujours une moitié de la Lune, mais l’observateur terrestre voit totalement (position 3), partiellement (position 2 ou 4), ou pas du tout (position 1) cette partie éclairée.

● Ces différents aspects sont appelés les phases de la Lune. Chacune de ces phases a une durée d’environ 1 semaine.
 
On distingue quatre phases principales qui se transforment l'une dans l'autre.
 

 

Nouvelle Lune

Premier Quartier

Pleine Lune

Dernier Quartier

aspect

 

 

 

 

 

La Lune est située entre le Soleil et la Terre et on ne la voit pas

Les nuits sont très noires

 

 

La Lune est alors située à l’opposé du Soleil et brille toute la nuit

 

position dans le ciel

près du soleil

à 90° du soleil

à l'opposé du soleil

à 90° du soleil

lever

à l'aube

à midi

au crépuscule

à minuit

coucher

au crépuscule

à minuit

à l'aube

à midi

heures de visibilité

invisible

fin d'après-midi et soirée

toute la nuit

2ème moitié de la nuit
et début de matinée

 

3-Conclusion :

● La Lune tournant autour de la Terre, chaque jour ou chaque nuit sa partie visible, éclairée par le Soleil, présente une forme différente : la Lune présente différentes phases.

● Toutes ces phases se succèdent dans le même ordre et reviennent régulièrement toutes les 4 semaines environ.

 

III-Les éclipses

● Lors d’une éclipse de Soleil en pleine journée le Soleil disparaît: il fait nuit pendant quelques minutes. Lors lune éclipse de Lunel en pleine nuit la Lune disparaÎt pendant plusieurs minutes. Comment interpréter les éclipses?

 

1-Expérience :

 

La Terre est entre le Soleil et la Lune. La balle (Lune) n'est plus visible.  La Lune est entre le Soleil et la Terre. On observe une ombre portée de la balle (Lune) sur le globe terrestre.

 

● Tu disposes d'une lampe représentant le Soleil et d'un globe terrestre figurant la Terre.

● Déplace, autour du globe et assez près de celui-ci, une balle de tennis qui représente la Lune pour te retrouver dans les deux situations suivantes:

   - Le globe (Terre) est situé entre la lampe (Soleil) et la balle (Lune).

   - La balle (Lune) est située entre la lampe (Soleil) et le globe (Terre) .

 

● Laquelle de ces deux expériences modélise une éclipse de Soleil? Une éclipse de lune?

● Dans quelle phase se trouve la lune : Dans une éclipse de Soleil? Dans une éclipse de lune?

● Une éclipse de Soleil est-elle visible en tout point de la Terre? Et une éclipse de lune?

 

2-Interprètation :

 

Éclipse de Soleil

Lors d'une éclipse de Soleil, la Lune (en phase de nou­velle Lune) passe entre le Soleil et la Terre. Une partie de La Terre, d'environ 150 km de diamètre, se trouve dans La zone d'ombre de La Lune et ne reçoit pLus de Lumière: iL y a éclipse de SoLeiL pour Les populations situées dans cette zone.


    

 

                         

Éclipse de Lune

● Une éclipse de Lune a lieu lorsque la Terre se situe entre le Soleil et la Lune en phase de pleine Lune. La Lune se trouve aLors dans La zone d'ombre de la Terre: elle ne reçoit plus la lumière du Soleil et n'est plus visible depuis la Terre.

           

 

3-Conclusion :

Une éclipse est un phénomène astronomique au cours duquel un astre en cache un autre.

● Lors d’une éclipse, le Soleil, la Lune et la Terre sont alignés.

● Lors d’une éclipse de Lune, la Lune pénètre dans le cône d’ombre de la Terre.

● Lors d’une éclipse de Soleil, une partie de la surface terrestre se trouve dans l’ombre portée de la Lune.

 

Thème de convergence

 

 

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