lumiere_ombres

La lumière et les
ombres.
La lumière et les
ombres.
PROGRESSION GENERALE
Séance n°1 :
La notion de source lumineuse : recensement de tout ce qui « produit » de la lumière.
Séance n°2 :
Propagation rectiligne de la lumière : mise en évidence d’un faisceau lumineux dans un liquide.
Séance n°3 :
Classification de différents objets ou matériaux selon qu’ils sont transparents ou opaques et
observation de leurs ombres.
Séance n°4 :
Réflexion de la lumière par un miroir. Mises en situation pour s’approprier cette notion.
Séance n°5 :
Conception et construction d’un périscope pour réinvestir la notion de réflexion.
Séance n° 6 :
Décomposition de la lumière du Soleil, à l’aide d’un bac rempli d’eau (+ quelques gouttes de lait) et
d’un miroir, en extérieur d’abord, puis à l’intérieur en remplaçant le Soleil par une torche.
Séance n°7 :
Recomposition de la lumière blanche, par deux expériences : fabrication d’un disque de Newton, et
superposition de 3 spots lumineux sur un écran (les 3 couleurs primaires) pour obtenir du blanc.
On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site Internet du
M.E.N et dont l’adresse est http://www.eduscol.education.fr/D0027/EXSREN02.htm :
- Lumière et ombre
- Mouvement apparent du Soleil
- Energie
La lumière et les
ombres.
LISTE DU MATERIEL
Pour une classe de 30 élèves (7 groupes) :
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7 cuves en plastique
7 bacs en plastique transparent
7 miroirs
7 lampes torches
7 petits moteurs
7 piles plates de 4.5 V
du carton (de la classe)
du papier de couleur (rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet)
3 spots de 500 W avec des filtres colorés (rouge, bleu, vert), et le branchement
électrique adéquat
une vingtaine de petits miroirs de récupération (à récupérer chez un miroitier,
dimensions 4.5 4.5 cm pour le périscope et 4 12cm pour le kaléidoscope)
14 cordons croco
du lait (à ramener de la maison)
des agrafeuses (de la classe)
un pistolet à colle
de la bande adhésive noire
LA LUMIERE ET LES OMBRES
(Cycle 3)
Place dans le programme :
Le ciel et la Terre : Lumière et ombres.
1.
QUESTIONNEMENT INITIAL (séance 1)
Objectif :
Recenser tout ce qui, autour de nous, « produit » de la lumière puis effectuer un classement.
Vocabulaire :
Ampoule, artificiel, étoile, feu, lumière, ombre, Soleil.
Déroulement :
Il s’agit d’une première séance collective et orale pour faire l’inventaire, avec les élèves, de ce qui
« produit de la lumière » ou plutôt, de ce qui éclaire : Soleil, ampoule, lampe, Lune, étoile, feu,
bougie, etc...
Attention au terme « produit » ; en effet, la Lune, par exemple, ne fait que réfléchir la lumière du
Soleil.
On peut ébaucher un classement en fonction de :
• la nature de la lumière (naturelle/artificielle)
• la couleur émise (blanche, jaune...)
2.
LA PROPAGATION DE LA LUMIERE (séance 2)
Objectif :
Mettre en évidence le déplacement en ligne droite de la lumière dans un milieu homogène (c.-à-d.
qui a partout les mêmes propriétés).
Vocabulaire :
Propagation, rayon ou faisceau lumineux, trajectoire.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• du carton
• 1 bac en plastique transparent rempli d’eau
•
•
1 lampe torche
du lait (quelques gouttes)
Déroulement :
Une discussion s’engage autour de la question : Comment est-ce que la lumière voyage ? On peut
parler des rayons du Soleil, par exemple. Est-ce qu’elle peut contourner les obstacles ? Puis
l’enseignant lance l’activité : « Comment la lumière se propage-t-elle ? Quelle est sa trajectoire ou
le chemin qu’elle parcourt ? ».
« En fait on voudrait que vous trouviez, dans chaque groupe, un moyen de mieux voir le faisceau
lumineux de la lampe torche, pour être sûr que la lumière a bien un trajet rectiligne. Pour
matérialiser ce faisceau, vous allez remplir une cuve d’eau et ajouter quelques gouttes de lait,
utiliser du carton, et bien sûr la lampe torche. Essayez de trouver un moyen pour que l’on voie
vraiment le faisceau lumineux. »
Lampe torche
Faisceau lumineux
Carton percé
Eau + quelques
gouttes de lait
L’enseignant laisse chercher les élèves quelques minutes. Peut-être les élèves auront-ils l’idée de
faire passer le faisceau lumineux à travers un petit trou percé dans le carton ; c’est ce qui donne le
résultat le plus satisfaisant.
Lors de la synthèse, on pourra conclure par exemple: « La lumière se propage en ligne droite, aussi
bien dans l’air que dans un liquide homogène. »
3.
LES OBJETS TRANSPARENTS ET OPAQUES ET LEUR OMBRE (séance 3)
Objectif :
Classer différents matériaux en introduisant le vocabulaire opaque, transparent.
Montrer que l’ombre formée par un objet opaque dépend de la forme de l’objet, de sa position et de
son orientation par rapport à la source lumineuse.
Vocabulaire :
Ombre, opaque, transparent.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 1 lampe torche
•
différents objets et matériaux : bois, plastique, plexiglas, verre, eau, papier, cellophane...
Déroulement :
La séance se découpe en 2 temps.
1er temps : l’enseignant commence par présenter les
différents matériaux sur les tables, et expliquer aux
élèves qu’ils vont devoir les classer selon que l’objet
laisse passer ou non la lumière. Quels adjectifs
utiliser ? : opaque - transparent. Après avoir éclairé les
objets ou les matériaux avec la lampe torche et observé
l’ombre formée, chaque élève fait un tableau à 2
colonnes, où il doit placer le nom des matériaux ou
objets (la règle, la gomme, le crayon, etc...).
L’enseignant peut alors proposer un tableau commun et trancher sur les incertitudes en particulier
sur les matériaux ou objets translucides (papier calque, plastique).
2ème temps : en lien avec ce qui précède, un objet opaque arrête les rayons lumineux qui se
propagent rectilignement. Il se crée donc une zone non atteinte par les rayons lumineux, c’est
l’ombre de l’objet.
La consigne peut être alors la suivante : « choisir un objet opaque (gomme ou carton découpé), et
observer comment l’ombre varie lorsque l’on déplace la lampe torche. ». Les élèves dessinent leurs
observations, en mesurant si nécessaire.
L’enseignant alimente au cours de l’expérience la réflexion des élèves : Que se passe-t-il si la
torche est à la verticale de l’objet ? Si elle est basse ? Est-ce que l’ombre dépend de l’objet ? »
Enfin on pourra conclure par exemple : « L’ombre dépend de la forme de l’objet et de la place de la
lampe torche : plus la source lumineuse est basse, plus l’ombre s’allonge. ».
Pour aller plus loin :
• Un théâtre d’ombres, en séance d’arts plastiques
• Un cadran solaire (observation du déplacement de l’ombre - lien avec l’astronomie).
4.
LA REFLEXION DE LA LUMIERE
4.1.
Utilisation d’un miroir (séance 4)
Objectif :
Observer la réflexion de la lumière.
Montrer qu’un miroir réfléchit la lumière et inverse l’image reçue.
Vocabulaire :
Image, miroir, réflexion.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 3 petits miroirs
•
une lampe torche
Déroulement :
L’enseignant distribue dans chaque groupe les miroirs et pose quelques questions : que voit-on dans
un miroir ? Qu’est-ce qui caractérise un miroir ? Dans quels cas utilise-t-on des miroirs et
pourquoi ? (rétroviseur de voiture pour voir derrière soi, miroir d’angle pour observer sur les côtés,
miroir de décoration pour donner l’impression de plus d’espace, etc).
Il demande ensuite d’observer ce que devient la lumière de la lampe torche envoyée sur un miroir.
La lumière repart dans l’autre sens, elle est réfléchie. On peut faire dessiner à l’aide de flèches le
trajet de la lumière selon l’inclinaison du faisceau incident :
miroir
L’enseignant propose ensuite une
activité plus ludique :
Il s’agit d’un relais dans chaque
groupe : les élèves ont un miroir
chacun, sauf celui qui tient la lampe
torche, et ils doivent renvoyer le
rayon lumineux au voisin, le
dernier le renvoyant sur une cible
fixe choisie par celui qui tient la
torche.
miroir
cible
Enfin il suggère de terminer la séance par le déchiffrage d’un texte écrit à l’envers.
Exemple de texte codé :
On pourra résumer par une phrase de conclusion du type « Le miroir réfléchit la lumière
qu’il reçoit ».
Pour aller plus loin :
• Pour visualiser la réflexion d’un faisceau de lumière sur un miroir, on pourra utiliser
l’expérience de la séance 2 en plongeant dans une cuve d’eau (+ quelques gouttes de lait) un
miroir.
4.2.
Construction d’un périscope (séance 5)
Objectif :
Elaborer et construire un objet qui utilise des miroirs : le périscope.
Réinvestir les notions abordées précédemment.
Vocabulaire :
Oculaire, périscope.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 2 miroirs carrés (4,5cm4,5cm)
•
une paire de ciseaux
•
du carton rigide mais pas trop épais
•
une agrafeuse
•
de la colle (en pistolet idéalement)
Déroulement :
Après avoir rappelé les caractéristiques d’un
miroir, l’enseignant lance aux élèves le défi
de voir au-dessus d’un obstacle (un mur par
exemple) avec l’aide de 2 miroirs. Par deux
les élèves expérimentent jusqu’à comprendre
qu’il faut positionner les deux miroirs face à
face mais légèrement inclinés. Ils peuvent
dessiner le chemin de la lumière qui part de
l’objet et qui parvient à l’œil.
Il propose ensuite de construire un appareil utilisant ce principe et donne aux élèves le modèle de
construction d’un périscope ( les mesures sont indicatives, tout dépend de la taille des miroirs) :
Feuille de
carton à
plier selon
les traits
Fenêtre
Emplacement
des miroirs, à
45 °, en vis à
vis
30 cm
Oculaire
5.5 cm
Pour aller plus loin :
4.5 cm
5.5 cm
• Construction d’un kaléidoscope
Matériel : 3 miroirs de 4 cm par 12 cm, du scotch
4.5 cm 1.5 cm
5.
LA DECOMPOSITION DE LA LUMIERE
5.1.
La décomposition de la lumière du Soleil (séance 6)
Objectif :
Montrer que la lumière du Soleil (lumière blanche) résulte de la superposition d’un ensemble de
lumières de couleur.
Vocabulaire :
Arc-en-ciel, couleurs, décomposition de la lumière, spectre lumineux, superposition.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• une cuve remplie d’eau
• un miroir
• ruban adhésif noir
•
•
une feuille de papier blanc
une lampe torche
Déroulement :
Dans un premier temps, l’enseignant fait porter la discussion autour du phénomène de l’arc-en-ciel.
Qu’est-ce qu’on voit ? Dans quelles conditions se forme un arc-en-ciel? L’enseignant peut faire
ressortir la nécessité d’avoir la présence du Soleil et de pluie dans le ciel. Il présente ensuite le
matériel dont les élèves disposeront : une cuve remplie d’eau, un miroir pour renvoyer les rayons
solaires et une feuille blanche pour récupérer le spectre solaire. Enfin il décrit le dispositif suivant :
Spectre
solaire
Feuille
de papier
blanc
Soleil
Miroir
Miroir que l’on a recouvert
de ruban adhésif noir pour
ne laisser apparaître qu’une
petite fenêtre
réfléchissante (1 cm5 cm)
Eau
Les élèves donnent un nom aux couleurs observées et notent les conditions de l’expérience
(position de la feuille de papier, du Soleil, du miroir, etc).
Dans un deuxième temps, ils refont l’expérience en classe, à l’aide de lampes torches.
Chaque groupe a donc pour consigne : « refaire un arc-en-ciel avec la lampe torche en guise de
Soleil » ; on peut leur demander de noter quelques observations, de faire le dessin de la
manipulation.
Mise en commun : l’enseignant pourra insister sur la nécessité d’avoir à la fois la lumière du Soleil
et la présence d’eau. Les élèves donnent les noms des couleurs observées (rouge, orange, jaune,
vert, bleu, violet, dans l’ordre). D’où viennent toutes ces couleurs ? Enfin l’enseignant demande de
dessiner sur leur cahier le trajet du rayon lumineux et le résultat.
5.2.
Mélange des couleurs
5.2.1 Le disque de Newton (séance 7)
Inversement, si on mélange toutes les couleurs obtenues précédemment, on doit retrouver de la
lumière blanche. C’est le principe du disque de Newton. Il peut se fabriquer à l’aide d’un petit
moteur ou sous forme de toupie.
Objectif :
Montrer qu’en observant le mélange de certaines couleurs, on peut obtenir la couleur de la lumière
blanche.
Vocabulaire :
Couleurs, disques, lumière blanche.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• un petit moteur électrique
• une pile de 4.5 V
• 2 cordons croco
Pour chaque élève :
• du carton rigide
• du papier de couleur
Déroulement :
Les élèves auront préparé auparavant un
disque de carton comportant les 6
couleurs dans l’ordre : rouge, orange,
jaune, vert, bleu et violet
On fixe ce disque sur l’axe du moteur
relié à la pile ou on réalise une toupie
avec, par exemple, un stylo comme axe.
On voit alors apparaître une teinte plus ou
moins claire selon la vitesse de rotation.
Selon la qualité des couleurs, le disque en rotation donnera une teinte s’approchant de celle de la
lumière blanche.
5.2.2. Les 3 spots lumineux
Vocabulaire :
Addition, couleurs primaires, filtre, soustraction
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
• 3 spots : un rouge, un vert, un bleu
•
un drap ou un mur blanc
Déroulement :
Il serait difficile ici d’avoir du matériel pour tous les groupes.
C’est pourquoi cette séance peut se faire par atelier ou avec toute
la classe en même temps. Les conditions d’observation seront
d’autant meilleures qu’il y aura une bonne obscurité dans la classe.
Les spots sont placés de manière que les faisceaux se chevauchent
(voir dessin ci-contre).
L’enseignant donne la consigne suivante à chaque élève
qui réalisera l’expérience : « allume un, deux ou trois
spots et observe sur l’écran. Dessine à chaque fois ce
que tu as vu. »
rouge
Il est important de faire une mise en commun une fois
que chaque élève aura pu observer les différentes
combinaisons:
Le rouge, le vert et le bleu sont les 3 couleurs primaires.
En les additionnant deux à deux, on obtient les couleurs
secondaires :
jaune
vert
magenta
cyan
bleu
rouge + vert « jaune
rouge + bleu « magenta
bleu + vert « cyan
Si on additionne les trois couleurs jaune, magenta et
cyan, on obtient une lumière blanche.
Pour aller plus loin :
Dans les postes de télévision couleur, la couleur est obtenue par des milliers de points de couleur
verte, rouge ou bleue.
Précisions :
L’obtention d’une couleur par mélange de lumière de différentes couleurs est appelée addition de
couleurs. Dans ce cas, le vert, le rouge et le bleu sont des couleurs primaires et le jaune, le magenta
et le cyan sont des couleurs secondaires. L’addition de toutes ces couleurs donne le blanc.
A l’inverse l’obtention d’une couleur par mélange de pigment (peinture, encre, crayon de couleur,
etc) est appelée soustraction de couleurs. Dans ce cas, le jaune, le magenta et le cyan sont les
couleurs primaires et le vert, le rouge et le bleu sont des couleurs secondaires. La soustraction de
toutes ces couleurs donne le noir.