Document d'application
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Nouveaux programmes de l’école primaire – Sciences expérimentales
et technologie
Documents d’application – Les fiches – Projet
Fiche 14
Lumière et ombres
1. Programme
• Cycle 2. Caractère opaque, transparent ou réfléchissant
d’un matériau. Les ombres, observation de leurs caractéristiques.
• Cycle 3. Lumière et ombres.
2. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant
Le mot lumière désigne très souvent l'éclairage
électrique. Le mot "ombre" désigne en général
l'ombre portée sur le sol, sur un mur, sur un écran, sur un objet
mais plus rarement l’espace situé derrière l'objet éclairé.
On dit qu’un objet “ a ” une ombre sans faire référence
à la source
3. Difficultés provenant des idées préalables des élèves
Les élèves n'ont pas l'idée de la propagation de la lumière
: la clarté ou l'obscurité sont plutôt considérées
comme un "état" du lieu qui ne nécessite pas toujours
la présence d'une lampe ou du soleil. "Il y a de la lumière
dans la pièce". Les élèves ne conçoivent pas
qu'un objet quelconque puisse envoyer de la lumière vers nos yeux ; cela
ne leur apparaît que s'il s'agit d'une source lumineuse reconnue : lampe,
Soleil. La présence de lumière n'est reconnue par les élèves
que "sur" une source intense, ou "sur" une zone très
éclairée (zone directement éclairée par le soleil
par exemple). Le mécanisme de la vision des objets est souvent conçu
suivant le modèle erroné du "rayon visuel" partant de
l'oeil pour aller capter l'image de l'objet. ce modèle est conforté
par les expressions “ jeter un oeil ”, “ balayer du regard ”
Beaucoup d'élèves pensent qu'ils peuvent voir la lumière
"de côté", (c'est à dire qui passe devant leurs
yeux) sans que cette lumière entre dans leurs yeux.
Pour certains élèves, l'ombre a les propriétés d'un
objet matériel. Ils attribuent à l'ombre les mêmes propriétés
que l'objet qui l’a produit. Ils ne se rendent pas nécessairement
compte du rôle de la source lumineuse.
4. Quelques écueils à éviter lors des observations et
des manipulations
L'affirmation "l'ombre est la zone qui ne reçoit pas de lumière"
est en général incorrecte car imprécise. En effet, l'ombre
d'un objet par rapport à une source déterminée est une
zone qui ne reçoit pas de lumière provenant de cette source, mais
elle reçoit en général la lumière émise ou
diffusée (renvoyée) par les autres objets environnants. Pour un
objet éclairé par plusieurs sources de lumière il y a autant
d'ombres qu'il y a de sources. Il est préférable de commencer
des premières schématisations en utilisant une source de petite
dimension (une ampoule de lampe de poche) qui sera assimilée à
une source ponctuelle. La forme de l'ombre peut alors être interprétée
en traçant un trait reliant ce point aux contours de l'objet. Sur ces
schémas une convention (de couleur par exemple) doit aider à ne
pas confondre d'une part les objets réels et observables (la source,
l'objet, l'oeil) et d'autre part les entités abstraites représentant
le trajet, invisible, de la lumière (première idée de rayon
lumineux). L'utilisation d'une source étendue engendre des ombres aux
contours difficiles à interpréter. Le tracé des rayons
lumineux dans ce cas n'est pas au programme.
5. Connaissances
Une ombre nécessite une source de lumière. Sa forme dépend
de la forme de l'objet, de sa position et de son orientation par rapport à
la source. La lumière suit un trajet rectiligne dans un milieu homogène.
Pour qu'un objet soit vu, il est nécessaire que la lumière issue
de cet objet entre dans l'oeil. Une source lumineuse ponctuelle et un objet
opaque déterminent deux régions de l'espace : une région
éclairée d’où l’observateur voit la source et
une région à l’ombre d’où l’observateur
ne voit pas la source..
Lorsque la source lumineuse est étendue, il y a en plus une zone intermédiaire
d’où l'observateur ne voit qu'une partie de la source. Un objet
opaque éclairé par une source de lumière, a une partie
éclairée et une partie à l'ombre Les formes visibles de
ces surfaces varient suivant la place de l’observateur
6. Pour en savoir plus
Les sources de lumière usuelles sont toujours étendues (ampoule,
lampe de poche, Soleil). Elles engendrent des ombres aux contours difficiles
à interpréter (ombre, pénombre...). C'est pourquoi le programme
préconise de ne pas chercher à construire les contours de ces
zones, mais simplement de réfléchir à ce qu’y voit
un observateur. La rencontre entre lumière et matière peut donner
lieu à différents phénomènes : la réflexion
(la lumière
est renvoyée dans une direction bien définie), la diffusion (la
lumière est renvoyée dans toutes les directions), l'absorption
(la lumière est absorbée par la matière qui, alors, s'échauffe
; voir à ce propos la fiche connaissance F13 consacrée à
l'énergie), la
transmission (la lumière traverse la matière). Tous ces phénomènes
coexistent en général dans des proportions variables. Les objets
transparents sont ceux pour lesquels la transmission est prépondérante
à l'inverse des objets opaques pour lesquels elle est
négligeable ou inexistante. On dit que la transmission est importante
quand l’absorption est faible et réciproquement.
La lumière ne se propage en ligne droite que dans un milieu homogène,
c’est à dire qui a partout les mêmes propriétés.
Dans certaines conditions le trajet de la lumière est dévié
: diffraction par une fente, ou réfraction lors d’un changement
de milieu (air /eau) par exemple). Ainsi le phénomène de mirage
est dû à une propagation non rectiligne, l’air traversé
étant non homogène en température.
La lumière se déplace à une grande vitesse (environ 300
000 kilomètres par seconde). Elle met environ 8 minutes pour venir du
Soleil et de quelques années à quelques milliers d'années
pour venir des différentes étoiles visibles à l'oeil nu
!
La lumière visible est également caractérisée par
sa couleur, du rouge au violet. Certaines lumières (infra rouge ou ultra
violet) ne sont pas visibles mais se manifestent par d’autres effets :
sensation de chaleur près d’un fer à repasser (il émet
de l’infra rouge), brûlures de la peau dues à l’exposition
au soleil (il émet des ultraviolet)
7. Réinvestissements, notions liées
• Lien avec l'énergie (voir F13) : la production de lumière
nécessite l'utilisation d'une source d'énergie ; la lumière
transporte de l'énergie et, en particulier, le rayonnement solaire transfère
de l'énergie, dont le Soleil est la source, aux matériaux qui
l'absorbent ; cette énergie est essentielle pour la vie sur Terre.
• Liens avec les mathématiques :Comment mesurer la hauteur d'un
poteau à partir de la longueur de son ombre ? Comment mesurer la largeur
d'une rivière sans la moindre possibilité de la traverser ? (La
situation est bien sûr simulée dans la cour de récréation).