Programme de seconde : «L’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition.»





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date de publication20.12.2019
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THEME : L’Univers

La réfraction de la lumière

Programme de seconde : « L’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. »

La décomposition de la lumière par un prisme a été réalisée en classe. Les notions de spectres d’émission et de spectre d’absorption ont été étudiées. Il s’agit maintenant d’étudier le phénomène de réfraction parce qu’il permet d’expliquer la dispersion de la lumière blanche par un prisme.
L’activité 1 permet d’introduire ce phénomène. L’activité 2 permet de montrer qu’il nous est familier. L’activité expérimentale (activité 3) permet de le modéliser. Un test MOODLE permet de réaliser une évaluation formative. Enfin, un devoir permet d’évaluer quelques capacités travaillées dans les différentes activités.
CAPACITES TRAVAILLEES DANS LES ACTIVITES


App : S’approprier l’information

Act 1

Act 2

Act 3

Test

Eval.

I1

Se mobiliser en cohérence avec les consignes données (agir selon les consignes données ; extraire des informations utiles d’une observation, d’un texte ou d’une représentation conventionnelle (schéma, tableau, graphique,…)).







X




X

Rea : Réaliser (Faire)
















F1

Réaliser ou compléter un schéma.

X

X

X




X

F2

Réaliser le dispositif expérimental correspondant au protocole







X







F4

Maîtriser certains gestes techniques (utiliser le matériel, les appareils de mesure, les outils informatiques, la calculatrice)







X







F5

Observer et décrire les phénomènes.

X

X

X







F6

Réaliser une série de mesures et relever des résultats (tableau, graphique …)







X




X

F7

Appliquer une consigne (calcul, application d’une loi …)










X

X

ana : Analyser
















A1

Exploiter les informations extraites des données (les interpréter ; les exploiter en utilisant au besoin l’outil mathématique ou informatique)










X

X

A3

Proposer et/ou justifier un protocole, identifier les paramètres pertinents







X







A4

Elaborer et/ou choisir et utiliser un modèle adapté (mettre en lien les phénomènes observés, les concepts utilisés et le langage mathématique qui peut les décrire)

X

X

X

X

X

val : Valider, Critiquer
















V2

Confronter un modèle à des résultats expérimentaux : vérifier la cohérence des résultats obtenus avec ceux attendus

X




X




X

com : Communiquer
















C1

Rendre compte de façon écrite (de manière synthétique et structurée, en utilisant un vocabulaire adapté et une langue correcte)







X




X

auto : Etre Autonome, Faire preuve d’initiative, Savoir-Etre
















E1

Travailler efficacement seul ou en équipe (en étant autonome, en respectant les règles de vie de classe et de sécurité)







X







E3

Soigner sa production







X




X

Activité 1 et 2 :
Introduction du phénomène de réfraction de la lumière





Notions et contenus du programme

Compétences attendues




Les étoiles : l’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition.

  • Les spectres d’émission et d’absorption : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies.

  • Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion.

  • Caractérisation d’une radiation par sa longueur d’onde.

  • Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

  • Réfraction : lois de Descartes.

  • Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

  • Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique.

  • Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.

  • Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

  • Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

  • Connaître la composition chimique du Soleil.

  • Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.

Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Capacités mises en jeu dans l’activité 1

  • Réaliser (F1 - F5)

  • Analyser (A4)

  • Valider (V2)


La colonne de droite sert à établir un positionnement de l’élève (réalisé soit par le professeur soir par l’élève lui-même).

Objectifs de l’activité 1

  • Introduire le phénomène de réfraction de la lumière.

Scénario (15 minutes)

  • Le polycopié est distribué. Une lecture silencieuse s'en suit. (2 minutes)

  • Le professeur présente le dispositif (webcam reliée à un ordinateur relié à un vidéoprojecteur) puis montre l’animation flash EDUMEDIA. (2 minutes). On rappelle alors le modèle du rayon lumineux vu au collège ainsi que les notions de source primaire et secondaire de lumière.

  • Les élèves doivent tracer le rayon lumineux. Au besoin on explique que la pièce agit un peu comme un miroir pour aider les élèves à réaliser la construction. (5 minutes)

  • On verse ensuite de l’eau doucement dans la tasse. Les élèves observent ensuite la déviation d’un faisceau LASER entrant dans l’eau et doivent alors choisir le modèle expliquant le mieux la situation. (5 minutes)

Capacités mises en jeu dans l’activité 2

  • Réaliser (F1)

  • Analyser (A4)


La colonne de droite sert à établir un positionnement de l’élève (réalisé soit par le professeur soir par l’élève lui-même).

Objectifs de l’activité 2

  • Montrer qu’il s’agit d’un phénomène courant et familier.

Scénario (10 minutes)

  • Le professeur commence par expliquer le conditionnement du cerveau à la propagation rectiligne de la lumière.

  • Les élèves répondent ensuite aux différentes questions.


Activité 1 : « Magique, magique ! »


On place une pièce de monnaie dans une tasse et on oriente une webcam de sorte qu’on ne voit plus la pièce à l’écran.


  1. Regardez l’animation flash EDUMEDIA « Comment voyons-nous ? ». Pourquoi le bébé ne voit-il pas le lego® rouge ?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………






A4

 

  1. Complétez alors le schéma qui suit en traçant le chemin suivi par le rayon lumineux issu de la lampe et expliquez pourquoi on ne voit pas la pièce.














…………………………………………………………………

…………………………………………………………………

…………………………………………………………………

…………………………………………………………………

…………………………………………………………………

…………………………………………………………………



F1

 

Maintenant, on verse doucement de l’eau dans la tasse sans bouger la webcam et sans toucher à la pièce.


  1. Que se passe-t-il ? ……………………………………………………………………………………………………………………………




  1. Observez l’aquarium posé sur le bureau. On met le LASER en marche. Que remarquez-vous ?

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

  1. Choisissez alors le schéma qui explique au mieux ce « tour de magie ». Justifier votre choix.



F5

 

    1. 2


F5

 












V2

 

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……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

  1. Ce phénomène est appelé réfraction de la lumière. Avez-vous déjà observé pareil phénomène ? Si oui, en quelle occasion ?

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A4

 



Activité 2 : « Des illusions d’optique ! »
Le cerveau interprète toujours les impressions lumineuses comme si les rayons reçus par l’œil provenaient directement en ligne droite de chaque point lumineux. Il peut parfois nous jouer quelques tours …


  1. Sur le schéma est représenté le chemin suivi par 2 rayons lumineux provenant du point A pour parvenir jusqu’à l’œil.

Quel phénomène se produit ici pour la lumière ?

…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………

  1. Le cerveau de l’observateur interprète le parcours de la lumière comme étant rectiligne. Réaliser un tracer en pointillés permettant de retrouver de quel point semble provenir les rayons lumineux pour le cerveau.










A4

 


F1

 

  1. Quelle observation fait-on alors lorsqu’on regarde le poisson ?

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……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

  1. Un ours veut pêcher le poisson « à la patte ». Comment doit-il s’y prendre ?

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A4

 

A4

 




  1. Observer cette photo. Expliquer pourquoi le crayon semble tordu alors qu’il est bien droit en réalité.

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……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………


A4

 


Faire un schéma permettant d’illustrer vos explications.


F1

 


Correction de l’activité 1 :


  1. On ne voit pas le Lego® car la lumière qui provient du Lego® ne parvient pas jusqu’à l’œil.







  1. La pièce devient visible sur l’écran.

  2. Le rayon est dévié lorsqu’il pénètre dans l’eau.

  3. Le 2ème schéma explique bien ce tour de magie. La lumière change de direction lorsqu’elle change de milieu : il y a 2 changements de milieu donc 2 changements de direction.

  4. Exemples de situation :





Crayon tordu (© F. Trouillet)


Manchot (© F. Trouillet)


Mirage (© J.F Noblet)



Correction de l’activité 2 :


  1. C’est le phénomène de réfraction de la lumière.

  2. Les rayons semblent provenir du point B.

  3. Le poisson semble plus près de la surface et plus éloigné qu’il ne l’est en réalité.

  4. L’ours devra viser juste : plus en profondeur.

  5. Les rayons issus de la partie immergée du crayon sont réfractés lorsqu’ils passent de l’eau à l’air : cette partie du crayon semble être plus proche de la surface qu’en réalité. La partie émergée du crayon ne subit pas de réfraction : le crayon semble tordu.







Activité 3 (activité expérimentale) :
Modélisation du phénomène de réfraction de la lumière





Notions et contenus du programme

Compétences attendues




Les étoiles : l’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition.

  • Les spectres d’émission et d’absorption : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies.

  • Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion.

  • Caractérisation d’une radiation par sa longueur d’onde.

  • Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

  • Réfraction : lois de Descartes.

  • Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

  • Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique.

  • Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.

  • Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

  • Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

  • Connaître la composition chimique du Soleil.

  • Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.

  • Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Compétences mises en jeu dans l’activité expérimentale proposée
(capacités + attitudes)

  • S’approprier : I1

  • Réaliser : F1 -F2 - F4 - F5 - F6 (en gras : les capacités évaluées)

  • Analyser : A3 - A4

  • Valider : V2

  • Communiquer : C1

  • Être : E1E3

Objectifs

  • Pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures.

  • Pratiquer une démarche par tâches complexes.

  • Etudier l’histoire des sciences.

Scénario (1h30)

  • La feuille d'énoncé est distribuée. Une lecture silencieuse s'en suit. (5 minutes)

  • Le professeur donne les consignes. (10 minutes)

  • Les élèves doivent proposer un protocole au professeur qui le valide.

  • Des aides sont fournies au besoin par les biais de fiches « coup de pouce ». Elles peuvent être demandées par les élèves ou fournies « d’autorité » si le professeur le juge utile.

  • Plusieurs façons de procéder sont possibles.

  • Plusieurs moyens d’exploiter les données sont possibles.

  • Un compte-rendu est attendu à la prochaine séance (les critères de réussite attendus sont précisés).
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