ARTheque - STEF - ENS Cachan | Module Photographie

DOCUMENT MAITRE

l2ème

ea)

LIRESPT

M.

BARBOUX

E. GUESNE

LABORATOIRE INTERUNIVERSITAIRE DE RECHERCHE SUR L

'ENSEIGNEMENT

DES SCIENCES

PHYSIQUES ET DE LA TECHNOLOGIE-UNIVERSITE PARIS VII-

TOUR

23-5EME

ETAGE-COULOIR 23-13 - 2

PLACE

JUSSIEU- 7522

1

PARIS

CEDEX 05- TEL

.329-12-21

P.41-24

1. INTRODUCTION p. 1 - Pr~sentation du module p. 3 - Présentation du document p. 4 2. OBJECTIFS p. 5 3. OPTIQUE ET PHOTOGRAPHIE p. 13 p. 29 p. 33 p. 37 p. 53 p. 61 p. 69 p. 71 p. 85 p. B9 p. 91 p. 97 p. 99 p. 111 p. 113 p. 114 p. 121 p. 126 p. 133 ~M2 (Exp~riences de chimie photographique)

EM1 (structure d'une pellicule et op~rations de d~veloppement) - 1er exemple

- P13 - Commentaire et critique de la fiche EM2 - P10 - L'encha!nement des s~ances

~ P12 - Commentaire et critique de la fiche EM1 - P9 - L'initiation à la méthode expérimentale

- P11 - Les fiches de manipulation

- P7 - Effet chimique de la lumière et rOle des produits de d~veloppement

- PB - Papier Ozalid, papier au citrate de fer

- 2ème exemple

- P1 - Le module photographie et l'optique p. 15

(modèle d'interprétation de la formation des images r~elles) - P2 - Propagation rectiligne de la lumière

- P3 - Renvoi de lumière par les objets

- P4 - Notion d'image - Propriétés des lentilles - P5 - Qupntit~ de lumière

- P6 Profondeur de champ

7. FICHES-ELEVE

5. METHODE EXPERIMEN TALE

6. ORGANIGRAMMES 4. PHOTOCHIM1E

Et1 - Développement du film

Tableau des durées d'action du révélateur 1011 selon sa température.

Et2 - Tirage de contacts Sur papier sensible au Citrate de fer

Et3 - Tirage par contact sur papier Ozalid Grille de relevé des conditions de prise de vue 8. MATERIEL

- P15 - L'utilisation du matériel - P16 - Liste de matériel

- Matériel d"quipement d'un établissement 2 - Produits consommables

3 - Documentation

4 - Fournisseurs (région parisienne) 5 - Schéma du manchon chargeur

- P17 - Montage et démontage de la spire Paterson - P18 - Dépannage des appareils Cosmic Symbol

9. EVALUATION p. 136 p. 139 p. 141 p. 142 p. 143 p. 145 p. 147 p. 149 p. 149 p. 151 p. 153 p. 153 p. 154 p. 155 p. 157 p. 163

1 - PRESENTATION DU MODULE

Le module se fonde sur le grand attrait qu'ont les élèves pour la pratique dé la photographie, afin d'éveiller leur intér8t pour les phénomènes d'optique et de photochimie qui se trouvent impliqués dans la cha1ne des opérations techniques. C'est une occasion de conduire les élèves à se poser des questions opératoiresJà mettre en oeuvre une méthode pour y répondre.

A la fin de cet enseignement, l'enfant doit 8tre capable de réaliser seul, correctement, l'ensemble des opérations de la photographie en noir et blanc : prise de vues, développement, agrandissement et tirage sur papier.

Mais, au cours de cet apprentissage, il aura également eu, d'une part, à analyser quelques exemples de transformations chimiques et, d'autre part, à utiliser un modèle rendant compte de l'ensemble des phénomènes optiques rencontrés en photographie.

La complexité des réactions chimiques impl i qué e s dans l'action du révéla-teur ou du fixarévéla-teur interdit d'aborder le mécanisme des réactions

particulière-J

ment avec des élèves qui n'ont aucune idée de la réalité moléculaire. On ne peut les aborder que d'un point de vue phénoménologique ("le révélateur noircit l'6mulsion photographique si, et seulement si, celle-ci a été soumise à l'action de la lumière" ••. ). Mais c'est l'occasion de mettreen.évidence des facteurs influant sur une réaction (dur~e d'action des produits, température ••• ) et de dégager le concept de "lumière, agent de tr a ns f or ma t i o ns chimiques".

Pour ce qui est du domaine de l'optique, une enqu8te ré a lis é e auprès des élèves de 4ème avant tout enseignement du module ind i qu e que si 30 à 50/0 des sujets ont l'intuition du tra jet rectil igne de la lumiè r e , l'idée de conservation de la quantité de l umière semble généralement absente et le r~le de la lumière comme agent directement responsable de la formation des images et de la vision des objets est parfaitement insoup~onné. Ce sont donc ces notions que développe le module. L'optique photogrc?hique (formation d'images, grandissement, profondeur du champ, luminosité des ima ge s , contraste ••• ) est interprétée en termes de faisceaux lumineux renvoyés par les objets ; en évitant l'i ntroduction de la notion de "rayon lumineux", entité abstraite, pour ne conserver que des grandeurs physiques plus conc r è t e s , ce modèle

correspond mieux au stade de développement des élèves de 4ème (pensée concrète, début de la pensée formelle).

Le module fait peu de place à la meSure. La relation entre la position de l'objet et la position de l'image est abordée au niveau qualitatif : en manipulant l'objet et l'écran à la recherche de son image avec différentes lentilles, l'élève dégagera l'idée qu'il existe une relation: pour une position donnée de l'objet, i l n'y a d'image que pour une seule position de l'écran; plus l~objet est proche de la lentille, plus l'image s'en écarte. Remplacer cette observation par la donnée de deux séries de chiffres (des mesures de distance objet-lentille et lentille-image) n'ajoute rien.Par contre faire prendre conscience aux enfants de l'existence, dans un système, de

facteurs isolables, indépendants les uns des autres ou liés entre eux par une :t:~ l a ti on ,c ' est Leu r X~ire franchir un pa s essentiel qui est nécessairement

premier par rapport à la mathématisation de ces relations. On n'a d'ailleurs pas toujours besoin de la formulation algébrique pour exprimer des lois.

Effectuer des mesures n'est qu'un aspect particulier de l'activité du physicien. Ce n'est pas un objectif du module qui répond mieux à d'autres objectifs.

II - PRESENTATION DU DOCUMENT

Ce document est destiné au professeur. La partie 7. propose des exemples de fiches de travail pour les élèves, que l'enseignant pourra reproduire ou modifier à Son gré. Les parties 3. et 4. donnent, pour chacune des notions d'Optique et de Chimie photographique correspondant aux objectifs de connais-Sance du module, une description des manipulations possibles, le niveau d'in-terprétation qu'on peu t attendre de s élève s et éve ntu a ll ement que l q u e s complé-ments d'informations scientifiques réservés au ~ro fesseu r. La partie 5. traite de l'initiation à la méthode expérimentale qui ~st l 'un des aspects fondamentaux du module. L'ensemble des objectifs (con n ais sanLjc, savo ir-f a i r e , méthodes, attitude~ que l'on peut se fixer pour le module ltst ra s s e mb l é dans un tableau détaillé en 2. Le déroulement du module n'est pas rigi de : i l y a plusieurs ordres possibles pour aborder les différentes not~~ns et les progressions proposées en 6. (Organigrammes) présentent chacune ~n avantage par rapport aux autres ; elles sont prévues pour 13 séances de 2 heures, ce qui est un minimum si l'on veut abo r d er l'ensemble des notions proposées/en laissant une place aSSez large à la réflexion autonome des élèves, m~is i l ne faudrait pas

excéder une quinzaine de séances car les élèves auront alors besoin de changer de centre d'intér@t. Nous avons proposé dans les chapitres des parties 3 et 4 un nombre de manipulations souvent supérieur à celui qu'il y aura lieu d'utiliser. L'enseignement y fera son choix en fonction des [les oi ns de Sa classe.

On

trouvera les ind~cations concernant le matériel nécessaire en 8. Les questionnaires repro-duits

en

9. (Evalua tion) pourront enfin constituer un e Source de contn81es écrits.

Les expériences, les manipul.tions décrites dans la suite de ce document n'ont pas à être effectuées pour elles-mêmes: ce ne sont que des moyens de parvenir à la réalisation de tel ou tel objectif.

"L'hODDlte hODllDe" du XXe siècle peut ainsi fort bien .e p••••r de savoir repr odui r e lui~me ses documents sur papier ozalid; . .i., si un objectif de l'enseignement est la reconnais-aanee du raIe de la l~lre comme agent de transformations chimique., la pratique de cette technique peut aider i atte indre cet objectif.

Il se peut que la réalisation de négatifs et l'analyse du rôle des op'rations effectuées à cette occasion (cf. p,76 ) aient .uffit l ce que cette notion soit bien intégrée par l'ensemble d'une el.s.e ; l'utili.ation du papier ozalid est alors superflue ; à moins qua cette technique ne soit un moyen de mettre en oeuvre d'autres objectif., tels que "imaginer une expérience pour répondre à une

que.tion" (la durle d'exposition au soleil a-t-ell e une importance 1).

Le choix de l'objectif conditionp'" non seulement le con -tenu, mai. aussi la forme de l'activité propos€~ aux él êves . Ainsi, selon que l'objectif qu'on s'est fixé est "e x êc'r.te r iidèl elDic<nt l'ex -périence prlvue" ou bien "imaginer une expérien ~ pour répondre à une question", on peut ou on ne peut pas fournir à l'él ève une fiche d'instructions pour la réalisation de l'expérienl " c' est une évidence qu'il convient d'avoir toujours à l'espr i t.

Un modul e , c'est un ensemble d'objectifs et des moyens pour les atteindre. Certaine des objectifs de la liste donnée ici peuvent être ra isonnabl ement considérés comme fondamentaux et acces-sibles, à un certain niveau, à l'ensemble des élèves du cycle d'orien-tation des collèges (13 à 15 ans) : ils sont rédigés en caractères

droits. Les autres, rédigés en

caract~res

itali

ques,

sont proposés

au libre arbitre des enseignants :

- soit parce qu'on peut les considf r er comme secondaires l cette étape de l'init i ation scient i fique et techn i que des enfants.

- soi t par ce qu'une fraction import ant e de la population des élèves peut n'être pas mûre pour atteindre ces objectifs, même l un niveau trls élémentaire.

La formulation des objectifs adoptée ici correspond l une analyse précise des opéra t i ons mentales et des actions pratiques

impliquées dans la tâche exigée de l'enfant une telle analyse est un préalable indi spensabl e l l'élaboration de con t r ôle s ada pt és à l'enseignement mis en oeuvre.

Mais cer tains objecti fs ne sauraient êt r e choisis isolé-ment : en pa r ti cul i er pour ce qui est de la méthode expé r i men t a l e , les tâches proposées l l'é llve font toujours int erveni r plus i eur s compor-tements de la liste des objectifs suivante. Les connais sances présen-tées ne sont pas des conna i s sances à mémor i ser en apprenant des phrases par coeur; elle s doivent êt r e acquises par l'enfan t par une pratique répétée de ces notions au cour s des manipulations techniques et expé-rimentales ; d'au t r e part , en ce qui concerne la plupart des connais-lances d' opt i que , il suffit que l ' é l ève soi t capabl e de les retrouver en utilisant le modèle, tr aduit par des schémas, qui le s synthétisent toutes.

Le rapport de pré...xpérimen t a ion d , .' exemples de mile en oeuvr e de ces objec ti fs.

Chapitres du rapport de prêex-périmentation

~----~.---

---1 - Dêveloppement de l' habileté manuelle

..

Il

...

....

•

....

1

...

....

!

•

•

Il ~ o ,d

'- eff.ctuer proprement et rapidement le s mani-pulations techniques et expérimentales (p8Ber~

mettre

.m

eo

luti.on~

déoeLopper

un

fi

lm, ••• ) 2 - D'veloppement des qualités d'observation

- remal'q1Ulr

tous les

aepeete

d'une situation

- percevoir l'apparition ou l' évol ut i on d'un

ph&loœne

- remarquer le lien entre plusieurs phénomènes

3 - Acquisition de techniques

- reproduire àes document

s

sur

,

papi er ozalid

- fabriquer

du

papier

sen8ible~ au

ci

trate

de

fer et l

'utiliser

pour

reproduire d

es

docu-ments

.

- réaliser seul l'ensemble des opérations de la photographie en noir et blanc : prise de vues, d6veloppement, agrandissement et tirage sur papier •

4 - Acquisition d'une méthode expérimentale - !m!8.!.i~_d':h1J>0 thè.!e.!.

rechercher les facteurs pouvant agir sur le phénoœne observé (ou reconnattre les para-mètres du système)

• émett r e une hypothèse sur l'action d'un facteur ou sur la signification d'une donnée.

- fo~c9~iE.n...d~E.r!.n~iR.e_d.! .!.'.!~éri~n~e _

• Séparer le8 variables, c'est 1 dire éliminer l'action des facteurs autres que celui qu'on a retenu 1 titre d'hypothèse, afin de vérifier cette hypothèse.

• utiliser une hypothise pour prédire un résultat d'expérience ou d'observation qui constituera un te st de l'hypothèse .

• imagi ne r le dispositif expérimental • organiser l'expérience.

- !xéc~tio~ ~e_l':e9ér!e!.c.!

• E3:Acu

ter

fid~'Lement 1.'

eep

êr-ienae

pr4~

• r4s oudre

les

probl~mes

technique. pos4s

par

ta

r4aUsation

• utiUser

peu

de produit

d

chaque essai

• manipuler avec soin ou précaution

• savoir

att~e~

htre patient

• transcrire fidèlement les résultats obtenus • noter toutes les condit ion. de Itexp~r ience

· u4rifier que l'exp4rience est

rep~ductibte

2,3,4,5,6,7 7 2,4,7 7' 3 3 1,2,3,4,5,6 4,6 7 7 4 4 4

- AnaI1.s!. ~e.! !.é.!.u!t.!t~

reconnaî tre si l'hypothèse de dépar t est confi r-mée ou non par les rêul t at s

p~alisep une synthAse d'observations distinctes interpréter 1,'espët-ience en fonct ion des con-nai s sances ant~1'ieures

· util i ser les résultats pour dégager des rela ti ons opér atoi re s ou des lois .

5 - Acqui s i ti on d' un sens des respons abilités

• au cours d' un travai l coll ec t i f, avoir le souc i de réa l iser correctement sa part de la tâ che

afin de ne pas anihiler les réalis at i on des au tre • parti c iper à la bonne maintenance du matéri el

collectif .

6 - Acqu i s} t i on d'une au tono~i e

• réali se r seu l une tâche en utilisant de s t ech-niques et des conna i ss ances acquises , ou en s'a idant de documents four nis.

7 - Ouverture sur le monde extéri eul' à l'éco l e

· Applique r ses conna i s s ances ou le s tec hniques ap-pris e s en dehor s du cadre solair e.

· Rechercher des informations campl ëme ntairee dans son ent ourage ext r a-scolai re, dans les mili eux pPOfe8si onne la.

7 2 4 6

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-

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---~8 - Construc t i on de concepts

• Lumière , agent de transformations ch imi que s · Image latente

Image, reproduction point par point de l'obj e t à un point de l 'objet cor r espond un poi nt de l' i mage.

· Quan tité de lunrière , pr odui t d'un flux par un temps (applicati on aux réglages de l'appare i l photographique) . 2,3 3 CI) ~ u :z: < CI) GO CI) al U H CI CIlI

<

GO GO :z:

....

III :z: _~ 0 0 u u ---~--~---

----

---9 - Acquis ition de connaiss ances 1) ~h~t~c~i~i~

STRUCTURE DE LA PELLICULE

• La pell i cul e es t consti tuée de produits sensibl e s 2 à la lumière déposé s sur un support tr anspa rent ; le papi er photographique est const itué de pr odu i t s semblables déposés sur pap ier.

• On fabri que une ~rm1sion photographique avec du 4 chl orure d'arg ent et de la géla tine ; s'i l n'y

avai t pae de gélatine, l:'ému l. ei on noi r cirait sous la seule aotion du rév~lateur (c f. ci-dessous) .

• Le r~v~la teur noircit l' ému l s i on phot ogr aphi que si, et

seu-lement si, cette dernière a subi l'ac tion de la lumilre ; 2,4 la lumière noircit ultérieurement une émulsion soumise

a

la

seule action du révélateur.

• L'action du Nv~Lateur est pl'ogItessive dans "Le temps (temps de r~action)

· "Le réoëlateu» agit pl.ue vite quand il es t moins dilu~ ou

quand sa t~rature est plus 4lev4e .

• ROLE DU FIXATEUR :

• Le fixateur dissout l'émul s i on qui na pas étl touchée par 4 la lumièr e ou qui n'a pas été révél ée; il ne .adifie pal

l'émulsion noircie.

2) Opt ique géométrique

• PROPAGATI ON·RECTI LIGNE :

• La lumi èr e se propage en ligne droite lorsqu 'e lle ne ren-contre pas d'obs tac l e .

RENVOI DE LUMIERE PAR LES OBJETS

Chaque point d'une surface écla irée d'aspect "coloré" renvoi de la lumièr e dans toutes les di rec t i ons .

• REPRODUCTI ONPAR UN TROU :

• Un tr ou fin fait correspondre à un point de l ' obj e t une

pet i t e tache lumineuse (point image) .

· Un trou fi n donne d'un objet éclairé une image non loca1il~e d'autant pl us net t e et peu lumineuse que le trou est fin.

IMAGE REELLE DONNEE PAR UNE LENTILLE CONVERGENTE

• Une lent i l l e (conve r gent e ) concentre les faisceaux lumi-neux qui frappent sa surface.

• Une lent il l e donne d'un objet plan une image localis6e dans un plan, d'autant plus lumineuse que la lentille est moins diaphragmée.

• Chaque point de l' i mage est a1ign~~ avec le point corres-pondant de l'obj e t et le cent r e de l a lentille (ou le trou fin) .

• Dans le cas du trou fi n et de la lentille , il y a inversion haut-bas, gauche droite de l 'image par rappor t à l'objet. • Il existe une grandeur ca ractéristique de chaque lentille

(sa dist ance foc al e) qui est la dis tance à laquelle se forme l'image d'un obj e t à l'infini.

· la positi on de l'image donnée par une lentille d~pend de sa focale et de la distance de l 'ob j e t à la lentille (applica-tion au réglage distance de l' appareil photogr aphi que) .

• par suite , le grandis s ement dépend de ces deux de r ni e r s facteur s : plus l'obj e t es t proche ou plus la di s t ance focal est grande , plus l 'image est grande.

5

5,7

7

7

CI) ~ u z < CI) CI)

....

<

z

z

o u PROFONDEUR DE CHAMP :

- de part et d'autre du plan d'image parfaitement nette , il existe une zone où l'image d'un objet, donnée par une lentille, semble nette à l'oeil humain cet t e zone est d'autant plus longue que la lentille est plus diaphragmée.

(Application aux réglages diaphragme , vitesse de l'appareil) •

3) Flux lumineux :

- Le flux de lumière passant à traver s un trou est proportionnel à la surface du trou.

(Application aux réglages di aphragme, vitess e de l ' apparei l )

4) Connaissances techniques pho t ographiques :

Le chiffre indiquant le cal i br e du di aphragme d'un appareiL photographique ou d'un agrandi s seur est d'autant plus grand que le tr ou est pet i t.

D'un calibre à l'autre,

ta

surf ace du diaphragme d'un appareil photographique varie d'un facteur 2.

3.

P1.LE

M

OOOLE PH

OTOGRAPHIE

ET L

'cPrI

Q

UE

La pho t ographi e doit servir de support l l'acqui s i t i on d'un cert ain nombre de notions d' opt ique g~omftri que, selon une dêmarche qui se sit ue l mi-chemi n ent r e une d~marche analytiqqe et une démarche global e.

Les ~lèves prennent de. photographies, le. agrandi s sent. Leurs premiêr es ~preuves sont de m'diocre quaiit~. Il s'agit d'améliorer.es rés ul-tat . et, pour maîtr i s er la technique, il leur faut compr endre le foncti on-nement des appareils. Les pr obl êmes sont pos~s en termes pratique. : qu' es t -ce qu 'une image, comment améliorer .a qualité, que faire pour lui donner 1•• di.ens i on. souhait~e s, quels rôles jouent les différentes parties des

appar e i l s 7 Les r~pon.es sont trouv~es grâce l une schéma tisation . Ce l le-ci se veut la plus proche possi ble de la réalité. On n'utilis er a donc pas le trad i tionne l banc d' optique; la boi t e noi r e . "appareil" .implifi~ que les flives peuvent construi r e eux-mêmes, le remplace avantageusement pour l'ana l Yle de la formation des images rée lle. et l ' étude des propriété. des lentill es , ut i l es en photogr aphie . notion de dis t ance focale, exi.tence d'une relation entre la positi on de l'objet. la pos i t i on de l'imaae et la diltance focal e , gr andi s sement, prof ondeur de champ. On revient alors, tris

vite, l l'utilité prat i que de ce qui vient d'être découver t et lei derni i r es photogr aphi e s sont pri ses en utilisant de faço n rai sonn~e les dif f fren t s réglages .

Examinons plus en dét ai l ces connailsances d'optique qui l'organi -sent de façon sa t i sf aisante dans le modile .ynth~tique .uiv~t, ai.ément tra-dui.i bl e IOUS forme de sch~mas.

Le module utilise un ~dile sommai r e mais suffisant pour l'i n-terpr~ tation des faits opti que s côtoyés par le. enf ant •• La pr~sentation aloba l e qui suit n'~_ en aucune façon un exemple d'expo s ~ 1 ces même. enfants. Elle est des t i née l éclai rer le lecteur .ur la finali t é des procédure. pédagogiques décrites dans les prochains chapî tres .

1. FONDEMENTS DU MODELE

1/ La lumière, issue d'une source lumineuse, le propage en ligne droite lorsqu'elle ne rencontre pas d'obstacle.

2/ Chaque point d'une surface fclairée renvoit de la lumilre dans toutes les directions, comme une source lumineuse primaire.

La première proposition est le postulat de l'optique géométrique, théorie approchée suffisant A tous lei cas où lei effet. de bord des obstacles sont négligeables, c'est-A-dire, dans le cal de la propagation limitée par exemple par un écran opaque percf d'un trou, lorsque les dimensions du trou sont asse. grandes <au moins 1 mm pour la l~ière visible).

La seconde proposition peut être vérifiée par les éllves au moyen d'un ensemble d'expériences mettant en ~vidence le. renvoi de lumière par .

.. -

-les objets éclairél~

Nous parlerons de faisceaux lumineux et de directions de propagation (droùes qu'il peut être commode de faire figurer), mais nous éviterons toute référence aux hypo-thétiques rayons lumineux, entités abs-traites isolfes par la pensée dans le faisceau réel de section mesurable. L'esprit imprégné du modèle des rayons

lumineux ne peut ensuite concevoir les phénomènes de diffraction : comment les

bords d'un trou percé dans un écran pourraient-ils agir sur un rayon infi-aiment mince pour donner naissance à un faisceau ouvert, lorsque ce rayon frappe l'intérieur de la surface de ce trou si petit fut-il?

II. IIPltODUCTION D'UN OBJET PAR UN TROU FIN

L'image d'un objet est une reproduction de l'objet par points

l un point de l'objet correspond un point unique de l'image.

Cette correspondance est assurée par un trou fin qui, de la

lumi~re renvoyEe dans toutes les directions par chaque point d'un objet 'clairE, sélectionne un faisceau étroit donnant une tache lumineuse presque ponctuelle sur un écran.

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Plus le trou est fin, meilleure est la résolution de l'image. Considérons un trou de grandes di~ensions :

Les taches lumineuses des divers points de l'objet se recouvrent, on a alors une image floue (dans le cas figuré ci-dessus où même les 2

points extrêmes de l'objet donnent un recouvrement des taches images, on ne reconnait plus l'image d'une flèche).

t

111. rolMATION DES IMAGES PAR UNE LENTILLE CONVERGENTE

Une lentille convergente concentre les fai.ceaux lumineux qui frappent sa surface.

Par exemple, dans le cas d'un faisceau incident cylindrique, on a le schéma suivant :

Un tel faisceau est réalisé, en première approximation,pàr la lumi~re venant du soleil : lorsqu'on d'place un écran derri~re la lentille, le diamètre de la tache lumineuse passe par un minimum dont la valeur est assez petite pour qu'on puisse assimiler la tache à un point.

2) !2E!!!!2~_~!-!~!S~!_e!!_~~~_!~~!!!!~_~2~Y~!S~~!~ Soit le dispositif suivant :

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Si l'objet est à une distance D a.lez grande (plus précisément, sup'-rieure à la distance focale qui sera d'finie plus loin), on obse~e, sur un 'cran plac' à une distance d'termin'e d, une image de l'objet.

Une image est une reproduction point par point de l'objet. Cela implique donc que le faisceau lumineux, Emis par chaque point de l'objet et passant l tra-vers la lentille, est concentrE par cette même lentille de façon l donner un point sur l'écran.

Si l'on diaphraame la lentille par un trou de'f ai bl es dimensions placé au centre de la lentille, on constate que, si la luminosité de l~image diminue, sa taille et sa position sur l'écran ne varient pas.

Le centre de la lentille, le point objet et le point image correspondant sont donc alignês. Et c'est pourquoi l'image donnée par une lentille est renversêe

Pour une position donnée de l'objet par rapport

l

,un.

leatill. donna., la position de l'image est uniqu~ (p~sition.El de l'éeran).

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1 1 1 1

,

t 1 ~ 1 t 1 1 1 1 1 1 1 ~

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--1 1 1 1 1 1 t ~

En effet, si l'on déplace l'écran vers l'avant (position E

2) ou vers l'atrière (position E

3), les faisceaux lumineUx, émis par les points Pl et P2 de l'objet donnent sur l'écran deux taches qui se recouvrent partiellement; l'image est donc floue.

Il existe une grandeur caractéristique de chaque lentille, sa distance focale, qu'on peut définir comme étant la distance, comptée à partir de la len-tille, à laquelle se forme l'image d'un objet à l'infini.

La distance d de l'image à la lentille dépend de la distance focale de la lentille et de l~ distance D de l~objet à la lentill~. Ell~ est d'autant plus grande que la distance focale est plus grande (voir objet à l'infini) et que l'objet est plus proche de' la lentille.

Puisque point objet et poi~t image sont alignés avec le centre de la lentille, l'image d'un objet est d'autant plus grande que le plan de cette image est plus loin de la lentille.

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>

fI) l'image 1_2, Appl ic a t i on : les téléobjectifs .

Mais on peut égal ement faire reculer l 'image par rapport à la lentille, en rapprochant l'objet sans change r de lentille.

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-Le grandi s s ement croît alors à la fois parce que l'image recule

(ll~12) et parce que la droite qui joint une extrémité de l'objet à l'extrémité correspondante de l'image èst plus inclinée.

IV. LATTITUDE DE MI SE AUPOI NT ET PROFONDEUR DE CHAMP

Reprenons la der nière figure du paragraphe 111.2

Lorsqu'on place l'écran en El' l'objet y est parfaitement reproduit point par point. Par contre, on obtient en E2 ou en E3 une image floue puisque les deux points bien distincts Pl et P

2

de l'objet donnent sur l'écran deux taches partiellement confondues.

••

Mais qu'observe-t-on si l'on place l'écran dans la zone, entourant El' où le. faisceaux issus de Pl et P

2 ne se recouvrent pas, en E4 par exemple?

Aux points Pl et P₂ correspondent, dans le plan E_4, deux taches distinctes. On observera donc dans ce plan une reproduction de l'objet, de même nature que la reproduction par taches donnée par un trou fin ~ on y reconnaitra l'objet de façon satisfaisante.

0'

peut objecter qu'il est toujours possible de trouv,r un point plus proche de Pl que ne l'est P

2, qui donne, dans le plan E4, une tache lumineuse par-tiellement confondue avec celle de Pl ~

Mais, il ne faut pas considérer ces images indépendemment de l'oeil qui les observe. L'oeil humain n'est pas capaWle de distinguer deux points infiniment proches l'un de l'autre. Pour ~'en convaincre, il suffit de regarder les deux 'points" ci-dessous : ils sont nettement séparés ;

éloignez-vous progressivement de la feuille : l partir d'une certaine distance (3m environ), ils vous paraissent jointifs.

Donc, lorsqu'on rega r de l'image parfaitement nette recueillie sur un écran placé en El' l'oeil ne distingue pas les uns des autres tous les points sans dimension qui la composent. L'observateur recueillera donc autant d'infor-mation sur l'objet en regardant la reproduction formée en E

4, que l'image formée en El' s'il n'y a recouvrement de taches lumineuses en E4 que pour des points trop proches l'un de l'autre pour être distingués par l'oeil sur l'image formée en El. La sensation de netteté est alors identique pour les positions El et E4 de l'écran.

Si l'écartement de Pl et P

2 correspond à la plus petite distance que l'~eil

puisse distinguer entre deux points de l'image recueillie en El ' l'image

se r a donc toujours vue nette si l'on déplace l'écran sur la longueur l,

où les faisceaux issus de ces deux points ne se coupent pas.

Cette longueur 1 (lattitude de mise au point) est d'autant plus grande que la lentille est plus diaphragmée, puisque les faisceaux lumineux émis par chaque point de l'objet et passant à travers la lentille sont moins ouverts.

r

l

~

1 1 1 11 ---- - 1

Inversement, si on laisse l'écran fixe, il existe une cer ta i ne distance Pc

sur laquelle on peut dépl ace r l'objet tout en conservant une image qui paraît

nette sur cet écran. Cette distance p est la profondeur de champ ; elle

c

croît lorsq ue le diamèt re du diaphragme diminue.

Les figures des pages suivantes repr é s en t en t pour deux ouvertures

diffé-rentes du diaphragme :

La position (l) de l'obje t qui donne une image par fa i tement nette sur

l'écran;

Les positions ext rême s (2) et (3) de l'obj e t qui donnen t encore une image

acceptable sur l' éc r an resté à la même place

- La profondeur de champ p , distance entre les positions 2 et 3 de l'objet.

c

Les positions extrême s (2) et (3) sont les deux positions de l'objet pour

lesquelles on obtient sur l'écran deux taches lumineuses tout juste

join-tives au lieu des deux points Pl et P₂, P

IP2 étant la plus petite

distan-ce entre deux poin ts que l'oeil peut distinguer sur l'image parfaitement

Profondeur de champ corresp ondant à un diaphrogme 'Largement ouvert '~--~=====~~I_?~--- ---_---­ ... " ...

'

... ... ...-....-..

....

....

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-zz 0 0 HH f-lE-l HH tn tn 0 0 ~~

-

-POSITION DE DE L'IMAGE PARFAITEMENT NETTE

---

---..u.--=====~~_...-

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_{- -}

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JI.

POSITION DE L'IMAGE

'rPARFAITEMENT NETTE

n--~~:::::3~ 1

,

1 1 1 1 1 1 1 1 1

~

1 1 .P

--

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Profondeur de champ correspondant à un diaphragme peu ouvert -z o H ~ H CI) o p.. 1

-..::;---'""-

-

...

---~

-

--

---..::.:;:-- - -POSITION DE L'IMAGE PARFAITEMENT NETTE -..t-~~~;;;::t:-

-z ~ u w POSITION DE L'IMAGE PARFAITEMENT NETTE ~

V. REMARQUES

1/ Li mi t e de résolution

Nous avons cho isi dans ce qui précède , de ne con si dére r que la limi t e de rés ol u t i on par l'oeil • c'est-à-dire que ce n'est que pa r ce que l'oe i l n'a pa s une préc i sion infini e que l'on ne peut pas distingue r sur

l'image deux points inf iniment voisins, et qu ' on aura donc la même sens a ti on qu'en reg a r dant l'i mage parfaite (à un point de l ' obj et cor r e s pond un point

unique de l 'image et réciproquemen t ) si l' on regarde une reproduc t i on de

l'ob j et con s t i t uée de taches qui son t dist incte s lor sque le s point s auxque l s elles cor re s pondent sont distingués par l'oei l sur l ' i mage parfa ite. Ce

choix est valide si l'éc ran est parfait . Mai s il se peut que la limite de résolu t ion de l ' oe i l soit bi en infér i eure à une au t r e li mite • cel l e de

l'écr an ; c'est le ca s d'une plaque photo graphique à gros grain.

Deux poin t s se ront al ors dis t i nc ts sur l'i mage s'ils sont écartés l'un de l'aut re d'une di stance su

pé-ri eure à la taille du grain.

L'écar temen t des poi nt s Pl et

Pz

fi gur ant sur les schémas du par agraphe

précéden t est alors déterminé par la tail le des grains de la plaque et

non par la str uctur e de l'oeil (el l e-même granu l aire) .

Remarquons que, dans le cas de la reproduction pa r une lent i ll e , la tai ll e des ta ches diminue en même temps que les tache s se séparent lor s -qu'on place l'écran plus près du poi nt de conve r gence des faisceaux (pos i t i on

E₄ de l'€cran au lieu de E_3, § IV du chapitre Pl ) ou lor squ' on ferme le

diaphr agme . Par sui te , lorsque les taches des points cr it i que s Pl et P

2

sont sépa rés leur tail l e est en même temps infér ieure à la distance ent r e

deux poi nt s discernab l e s, c'est-à-di re, dans le cas d'une plaq ue photo à

gros gra i n , infé ri eure à la taille du gr ai n ; ces taches impres sionne nt donc

la plaque de la même façon qu' un poi nt ; dans le cas où la limite de ré s ol u-tion es t impos ée par la st ructur e granulai re de l'oeil, l 'eff e t est i

den-tique. La littéra ture usue l l e pre nd comme critère de netteté, non pas la

séparat i on des tache s, mais la tail l e des tac he s.

2/ Pour quoi avons-no us choi si le critère "s é pa r a tion de s taches" (plu t ôt que

la tail le des taches) ?

Ce cTt tèr e à l'ava ntage, sur le second, d'être éga l ement valabl e pour

expli ~r que l' impr f'~~ : 0n de netteté de la reproduction donnée par un trou soit i"Mp end' ." j" T' de l'écran. En effet, dans le ca s du simpl e

trou lorsqu'on déplace l'écran, on obtient des figur~s homothétiques les unes des autres, les taches grandissent mais ne sont pas davantage super-posées. Le critère de séparation d~s taches explique que l'image soit toujours aussi nette, alors que le critère "taille de la tache" serait en contradiction. Or il est de très loin préférable d'avoir un modèle qui utilise le même critère dans tous les cas : le cas du trou et celui de la lentille.

P2

-

PROPAGATI ON RECTILIGNE DE LA LUMIERE

Des questionnaires prêliminaires, des entretiens individuel. avec des enfants, mêmes plus jeunes, nous ont montrf que la notion de trajet rectiligne .uivi par la lumilre est pressentie par beaucoup d'êllve ••

Il est donc possible de postuler la propagation rectiligne de la lumière, comme nous l'avons fait lors de la prêexpêrimentation.

Plus prêcisement, cette notion est apparue lorsqu'on a cherchê l rêsoudre le problème pratique suivant : comment faire pour agrandir le nêgatif (voir rapport de 2!~e~êrimentation. 5e lêance, p. 43) . On a cam-mencê par observer sur un êcran ce qu'on obtenait en prenant un trou, et notamment l'amêlioration de la netteté qui apparaît lorsque le dia~tre du trou diminue. L'observation du renversement, celle du dêplacement de "l'image" en fonction de la position du trou, conduisent l chercher une

correspon-dance entre le point objet et la tache image. On est amené à limiter un pinceau lumineux dont les bords sont rectilignes. Les dimensions du trou limitent la section du pinceau. A la limite, si le trou était infiniment fin, on aurait un point; et le trajet est rectiligne. En aucun cas, la notion abstraite de rayon lumineux n'est introduite. On constate simplement que l'interprétation des faits conduit l aligner le point objet, le centre du trou, et le "point" (centre de la tache) correspondant sur l'êcran.

Toutefois, la notion de trajet rectiligne n'est pas nêcessaire-ment acquise d'entrée par tous les enfants, et on peut faire appel, si le besoin s'en fait sentir, aux exemples classiques où le faisceau est rendu visible par des particules matérielles (limites du faisceau des phares d'une voiture par temps de brouillard, rais de lumière dans une pièce obscure) ou Al'une des manipulations .-oposées ci-dessous. Mais le module devant conserver une taille raisonnable, il ne faudrait pas consacrer trop de temps

A une notion qui pose peu de problèmes au détriment de concepts plus complexes.

Remarquons toutefois que, si l'idée de trajet rectiligne ne suscite

pas

de difficulté, il faut être conscient que le terme de propagation n'a pas de signification dans l'esprit des élèves. La simultanéité des observations

-l'objet est éclairé et l'image apparaît au même instant- ne leur permet pas de se représenter le phénomène comme une information partie en perma-nencé de l'objet et se dirigeant vers l'écran d'observation. L'ordre de grandeur des temps de propagation ne rend pas le phénomène accessible à

l' expérienœ des enf ant s ,

QUELQUES MANIPULATIONS

1/ Visualisation des bords rectilignes d'un faisceau lumineux

Dans l'obscurité, le faisceau lumineux d'une lampe torche peut être rendu vi.ible à l'ai de de poussière de craie, de fumées de cigarette ou d'une feuille blanche coupant longitudinalement le faisceau.

L'un des appareils décrits pages 51 et 52 peut être utiljsp ~ ce propos.

2/ Ecrans percés

On peut proposer aux élèves l'exercice suivant :

Perforer d'un trou deux ~cran8 de carton. Allumer devant le premier une petite ampoule de lampe de poche et placer le second ~cran de

façon à recueillir une tache lumineuse sur un troisi~me ~cran. Comment doit-o n placer cet ~cran ?

cri

- Observation : la lampe et les deux trous doivent être alignés (sur une horizontale ou une oblique quelconque).

On peut matérialiser la droite avec un fil de fer.

3/ Ombrel

Voici un autre exercice qui peut être réalisé par les élave.

- Obse~er sur un ~cran les ombres de divers objets opaque. en utilisant

uns sOUJ'Ce lumineuse de petite dimension (ampoule de lampe de poche) Les poei'tions de t'ampou'Le~ de 'L'objet (chosir un objet plat: de forme g40m4trique simp'Le : triangte ••• ) et de 'L'~cran êtant: f'Î4:4es~ peut-on pr4voir 'La position de t'ombre sur l'~cran avant d'allume~ l'ampoule? Dessiner cette ombre ~ en 'Laissant 'L 'ampou'Le ~teinte.

- En observant les ombres de divers objet., on peut remarquer qu'un point du bord de l'objet et le point correspondant de l'ombre lont alignés avec la source de lumière.

On peut donc prévoir la position de l'ombre d'un objet, un triangle par exemple: chacun des · sommets de l'ombre sera l'intersection de l'écran et de la droite (matérialisée à l'aide d'une ragle ou d'un fil de fer) joignant l'ampoule au sommet correspondant de l'objet triangulaire.

P3.RENVOI DE LUMIERE PAR LES OBJETS

En photographiant, les ~lèves s'aperçoivent que la façon dont

le sujet est ~clairé inf l ue sur la qualité du négatif obtenu, mais ils n'ont pas l'idée que la lumière est diffusée par l'objet. Voici l ce propos deux

r~ponses d'~lèves de quatrième 1 une question concernant le rôle de la

lu-mière dans la vision :

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•

Ces rEponses sont typiques de la reprEsentation de la vision chez les enfants de cet âle : "l'objet doit être 'clairE pour que je puiss. le voir et c'est MON oeil qui regarde l'objet": dans cette repr'sentation l'objet est tout l fait pauif (cf 1"bbjet regard'" de la r'ponse du second Ellve reproduite ci-dessus) et c'est l'individu qui agit aur l'objet en le relardant ("c'est mon oeil ou ma vue qui va l la lumilre". c ' est-l-dire 1

la sclne EclairEe -r'ponse du premier 'llve-). t'oeil n'est pas conçu comme r'cepteur d'une lumilre renvoy'e par l'objet. Pour les enfants, la lumilre provient exclusivement d'une source primaire intense (lampe ou soleil).

Sans doute. cela est-il li' l la sensation possible d"blouili..-nt lorsqu'on reaarde une telle source lumineuse. C'est pour cette même raison que les enfants reconnaissent un miroir ou une surface mEtallique comme capable de renvoyer la lumilre.

Il est donc utile de faire prendre conscience aux 'llves. par quelques expEriences simples. de ce qu'un objet de couleur renvoie dans toutes les directions une partie de la lumilre reçue, et se comporte ainsi comme une source (source secondaire), à la diffirence du miroir qui ne rEfl'chit la lumilre que dans une direction privil'gi'e (pour une lumilre incidente de direction d'finie).

Noua propolona ci-de&80UI quelques exp'riences parmi lesquelles on pourra choisir. Ces exp'riences ne devront pas prendre trop de temps pour ne pas alourdir le module. Pour cette même raison, il n'est pas question d'entreprendre une 'tude syst'matique de tous les paramètres qui pourraient intervenir ici (tels que distance. orientation, grandeur de la surface 'clair'e ••• )

QUELQUES EXPERIENCES

1/ On vérifie qu'un objet clair (une bobine de fil blanc par exemple) est visible si on diriae .ur lui le faisceau d'une lampe et invisible dans une salle parfaitement obscure. On monte alors l'exp'rience suivante, dan. l'obscurit' : on éclaire un 'cran mat avec une lampe suffisamment puissante et ayant un capot pour éliminer la lumilre parasite.

OH ...

tf'a

alors l'objet clair. placé en arrilre de la lampe. Est-il visible, et, de la même façon lorsqu'on change la couleur (blanc, jaune, rouge. bleu •••••

noir) ou la nat ur e de l"cran (brillant ou mat) ?

/

LAMPE

(100 W)

(9

BALLE BLANCHE

Couleur de l'~a2"an Aspeat de l'objet Conclusion ~torche

...t,.

On vfrifie qu'un posemètre pl acé dans une pièce obscure dévie lorsqu ' on dirige vers lui la lumi~r. émi.e par une lampe (lampe torche , projecteur)

et d'autant plu. què la source est pl us lumineuse. Le posemètre réagit donc lorsqu'il reçoit de la lumière . On peut alors

Simplement diriger le posemètre vers différents objets d__la salle de 'cla u e ;

2 Dans l'obscur it' place r côte à côte la lampe et le posem~tre (celui-ci lfgèr ement en retrait). On dispose

sur le traje t du fai sceau différent.

objets ou de. écrans (noir, blanc ou de couleur),et on observe la dévia-tion du posemètre (nulle pour un objet noir mat 'f plus grande pour un objet blanc que pour un objet co1orf). Les résult a t. peuvent être consignés dans un tableau. Mais il faut bien penser que cette étude ne peut être que qu

ali-tative , la sens i bi l i t é de la cellule 'tant variab le avec la longueur d'onde.

3/ Si un él ève demande ce qu'es t devenue la par tie abs orb ée$ on peu t compl

é-~er

par l 'exp€r ience suivante

On entour e les rés ervo i r s de tr ois the ilmoroè t r es d'un manchon de papier mat, respec tivement noir, rouge et blanc.• On plac e les trois thermomè t r e s

côte à côte sous une lampe de 100 Wat ts ,pendan t 5 à IOmn .On note dan s chaque

cas les températur e s initiales et finales. Le papier noi r ahs orbe la lumière,

l'~nergie lumineus e est transf~r~e sous falma de cha leur au liquide

thermom€t rique : le thermomètre entouré de papi e r noi r indiquera

donc une température finale plus ~levée que le thermomè t re entouré

d'un papier bl anc qui renvoi t la lumi è re. Ce t te expér i ence met ainsi indir ectement en éviden ce le renvoi de lumière pan les surfaces clair es, en fais ant appel à un nouveau concept , ce lui de la cons e r

-vation de llénergi e ; c'est pourquoi cet te exper1ence peut ne r1en

apporter, sinon la conf usion pour le s élèves qui nont pas encore

acquis ce concep t.

Not ons cependant que ce qui pr é cède est

s

r~pprc>che r d'un phéno-mène que les enfant s de ce t :âge conn..tiesenr bien :

2 On enflanme plus rapi demen t un papie r avec une loupe si l 'on a crayonné

de noi >: la partie sur laqu e l le on forme le point lumineux.

REMARQUE

Liétude de la chimie photogr aphi que fourni t , si elle a préc édé

ce thème, un argument supplémentaire pour établir l'i nterventi on dans la formation des images, d'un renvoi de lumiè re par les obj e t s : les objets clairs figur ent en noir sur le négatif, or la peLl. Lc.ul.e ne noi rcit que si elle a reçu de la lumiè re ; liiw~ g e se forme donc sur la pelli cu l e parce que celle-ci reçoit de la lumiè re, d'intensité modulée selon le degré de cl a r t é des objets représent és par l 'image .

P4

.NOTION D'IMAGE.

PROPRIBTES DES LENTILLES.

Un des objectifs essentiels du module est de faire acquErir aux Ellves le concept d'image~ reproduction point par point de l'objet. Il ne semble. pas que ce soit trop ambitieux. Un Ellve, au cours de la prEexpêri-mentation (voir rapport 5e séance p. 52) • spontanément remarqué que l'on avait affaire à une bijection.

Nous avons pu faire avec les enfants (voir rapport p. 47) l'obser-vation suivante. Si on leur donne une lentille, ils cherchent spontanément l l'utiliser comme une loupe, pas du tout comme une lentille de projection. Mais nous n'avons pas introduit la notion d'image à partir de cette connais-.ance préalable, et ceci pour les raisons suivantes

- La notion d'image virtuelle est difficile car elle fait intervenir explicitement le râ1e'de l'oeil et il est alors plus dElicat d'utiliser les schémas pour établir la correspondance entre objet et

image.

- En photographie, que ce soit pour la prise de vue ou pour l'agran-dissement, seule l'image réelle intervient. C'est encore elle qui apparaît lorsqu'on utilise le projecteur de diapositives que tous les é1lves connais-sent. Le support expérimental ne manque donc pas. Les 'lèves qui observent des images réelles voient la lumière frapper les différents écrans utilisés. Ils peuvent ainsi faire le lien avec ce qui est étudié en photochimie. La pellicule, le papier, sont touchés par la lumière; il s'y forme l'image réelle de l'objet.

L'Etude de l'image réelle elt conduite de façon expérimentale. On observe sa position, ses dimensions, et on dégage les qualités qu'elle doit présenter :

- La netteté, obtenue lorsque deux points de l'objet, séparés par l'oeil, le sont également sur l'image. Ils sont alors reproduits par deux points ou deux tAches ne se recouvrant pas.

Dans ce cha pî t r e , on se limiter a aux cas où la, repr oduc t i on est

ponctuelle (cas de l ' image parfaitement nette avec une 1enti1le)t ou peut

être considérée comme telle (cas du trou).

- La luminosité: un certain seui l existe au dessous duquel l'oeil,

8ensibl~en première approximation, au flux lumineux, ne perçoit pas l'image. Pour une prise de vue, elle commande le choix du temps de pose.

Il faut bien dégager ces deux dernières idées. En effet, si le

contraste diminue, les élèves peuvent être gênés dans leur .ppr~ciationde

la netteté de l'image. Ils ont tendance à considérer une image peu lumineuse,

mais nette, comme moi ns bonne qu'une autre, plus lumineuse t mais légèrement

floue.

Un autre objectif est de faire découvrir expérimentalement aux

Elèves les propr iétés des lentilles, utiles en photographie. Pour que

l'interprétation des expériences puisse être faite à partir de deux

connais-sances seulement , ~ la propagation rectiligne de la lumière et le renvoi de

la lumière par les objets, on étudiera d'abord la reproduction des objets

à l'aide d'un simple trou. On rejoint d'ailleurs l'aspect historique: les

premières photographies ont été réalisées avec le stenopé. Puis on

étu-diera les images formées avec une lentille. Ainsi se construit

progressi-vement le modèle exposé plus haut (Pl)'

La discussion sur la formation des images peut être faite à partir

de différents appareils : projecteur, agrandisseur, appareil photographique

(cf rapport de préexpérimentation). Il semble qu'un bon moyen de la mener

soit de choisir l'appareil photographique. Cela permet de motiver les

élèves pour l'utilisation d'une boite noire qui servira effectivement à

prendre une photographie.

Nous présentons ci-dessous un nombre d'expérience s très

supérieur à celui qu'il y aura lieu d'introduire en classe: plusieurs

variantes sont proposées pour faire acquérir une même notion. Le

professeur fe r a donc un choix parmi ces différentes approches ; il

choisira égalemen t l'ordre des manipulations : l'ordre dans lequel

nous décrivons les expériences n'est évidemment pas nécessairement

celui dans leque l il conviendra que les enfants les réalisent. Il est

parfaitement possible

que

,

certaines observations laient effe~fu~ei

avec les lentilles avant l'étude du trou t bi en que la modélisation doive

REPRODUCTION D'UN OBJET PAR UN TROU

On utilise,pour cette étude,une boite noire(sténopé) que les élèves peuvent fabriquer oux~mêmo.

Pour la construction de la boite, on se reportera aux

indication. données en annexe (1), 1 la suite de ce chapitre.

Avec une telle boite, on peut observer toutes les can é"

téristi,ques de la reproduction d'un objet par un trou.

1) L'inversion

On choisira un objet n'ayant pas de symétrie. Des lettres ou des chiffres, par exemple, permettent de montrer non seulement l'inver-sion haut-bas, mais aussi droite-gauche.

2) L'évolution de la netteté en fonction du diamètre du trou. Pour l'obervation directe, une luminosité suffisante reste nécessaire. On ne peut opérer avec un trou d'épingle. C'est au contraire

convenable pour". la prise de vue. Alors, l'image n'est plus obser-vable à l'oeil nu.

3) La délocalisation, en déplaçant l'écran d'observation. On peut alors être tenté de réaliser des mesures de grandissement en fonction de la position de l'écran. Mais l'introduction de mesures n'est pas un des objectifs du module

4) La coloration selon l'objet choisi.

Les observations seront interprétées à l'aide du modèle. Il est important que les expériences débouchent sur une prise de vue.

A priori, les élèves ne supposent pas qu'une simple chambre noire avec un trou permette de prendre une photographie. Ils sont d'autant plus surpris que les bonnes conditions pour avoir une photo ne permettent pas l'observation directe. Il est donc nécessaire de les diriger et de les obliger à tenter cette photographie.

Pour ce t t e prise de vue, le trou étant obturé, on charge le

fond de la boîte dans l'obscurité avec une lumière rouge ou dans

le manchon, en fixantle plan film avec du scotch. On installe la

boîte pour la prise de vue et on ouvre le trou.

,

.

Pr1se de vue a 1 1nter1eur

.

.

poss1b111 es

1

,

Objet Source Temps de pose Distance de Diamètre du

l'objet à la trou

boite

Métallique 40 W m1n 10 mn 15 cm environ J à 2mm

portant de éclaira ge de max 20 mn

l'écriture côté

ou

Lettres en _{lampe fil a~ 20 s 30 cm environ}

_"

papier _{ment de c}

ar-d'aluminium _{bone 110 V}

proje c t eur

diapos it ive

"

pot de fleurs recouver t pa r 1 mn 2 m

blanc tunnel Cans on

pour évite r

lumi è r e parasite

Prise de vue extéri eure : Le temps de pose est très variable avec la

luminosi t é extérieur e . Pour indiquer aux élèves un ordre de grandeur

du temps de pose, il faut avoir fait un ét a l onna ge donnant le temps

de pose en foncti on de l'indication de la cellule au niveau du calque.

Si le temps est peu lumineuxcl a prise de vues est difficile.

Trait emen t du plan film

Révélateu r Gui l l emi no t

Eau

Fixat eu r Hypam llford

dilution, J + 12

1 + 4

temps J mn 30 - 2 mn

20 s 2mn

FORMATION

DES IMAGES PAR UNE LENTILLE

En observant l'agrandisseur, l'appareil photographique, le projec-teur, les élèves ont observê que ces appareils comportaient tous un système optique. Pour l'étude, on le supposera rêduit à une seule lentille conver-gente dont on étudiera quelques propriétis.

Les notions à introduire sont les suivantes

- Action sur un faisceau lumineux ;

- Propriété d'un point particulier le centre optique (centre de la lentille) ;

Existence de plans conjugués à un plan objet donné, correspond un plan image unique, et réciproquement ;

- Existence d'une distance focale: distance entre la lentille et l'image d'un objet à l'infini.

- Etude du grandissement : il existe un rapport entre la dimension de l'image " :-felle-'.da l' obj et qui dépend des conditions de l'expérience: position de l'objet, valeur de la distance focale.

Nous proposons ci-dessous un certain nombre d'expériences parmi lesquelles on pourra (et devra) choisir. Leur interprétation se fait à l'aide du modèle exposé en PI'

A - Le matériel nécessaire

Les expériences décrites ci-dessous font appel à deux types de dispositifs. Toutefois, le second n'est pas indispensable.

1) La boîte noire utilisée plus haut. C'est un matériel très simple, peu couteux, qui permet à chaque groupe de réaliser ses expériences. Différentes lentilles peuvent être placées dans un support de carton, contre le trou. Sauf pour quelques expériences, il n'est pas nécessaire de diaphragmer ; les lentilles le sont déjà par leur diamètre. A chaque fois que cela est possible, on a intérêt à utiliser la lentille de meilleure qualité : celle de ID cm de distance focale pour le

2) Un appareil permettant de visualiser le faisceau lumineux

De tels appareils peuvent exister dans la collection des lycées~ 1

sinon, il est possible de les réaliser en se reportant aux indications

données en annexe (2) à la suite de ce chapitre. Il est probable que l'on

n'en possèdera alors qu'un seul exemplaire. C'est un inconvénient, le

module étant conçu pour que les enfants dégagent les concepts de leur propre expérience.

B - Quelques expériences

Une même exper1ence, convenablement exploitée, peut permettre d'introduire plusieurs notions. Pour plus de commodité, nous avons choisi

de décrire les expériences en fonction des notions à introduire. Cela

ne signifie nullement que l'on doive adopter avec les élèves ce mode de présentation. Au contraire, il est préférable, lorsqu'on a choisi une expérience, de l'interpréter complètement.

1) Action d'une lentille (convergente) sur un faisceau lumineux

1 - A l'aide d'une loupe. Très souvent, les enfants savent qu'avec

une loupe dirigée vers le soleil, on peut faire brûler un papier de soie (l'expérience marche encore mieux si le papier est noirci,

puisque la lumière est mieux absorbée). On peut utiliser cette.

connaissance et montrer que lorsqu'on interpose la loupe sur le

trajet de la lumière solaire, la lumière qui était répartie sur

toute la feuille se trouve concentrée en un point qui est

beau-coup plus lumineux. On peut ég~~ement visualiser le phénomène

en plaçant dans l'obscurité la loupe sur le trajet du faisceau

d'un projecteur après avoir matérialisé le faisceau à l'aide de

2 - A l'aide d'un<des <appareils _J décrit~ en annexe; visualisant lé faisceau lumineux. On peut alors montrer l'action de la lentille soit sur un faisceau parallèle, soit sur un fais-ceau divergent (sans qu'il soit utile d'employer ce terme).

3 - A l'aide de la boiteeaoire en partant de la formation d'une image. Il n'y a plus d'observation directe mais l'interpré-tation du fait fondamental que l'on désire mettre en ~vidence une bonne image est une reproduction ponctu~lle de l'objet. On observe la reproduction de l'objet par un trou dans le plan qui sera, avec la lentille, celui de l'image. Puis on place la lentille contre le trou en la centrant bien sur

celui-ci. (Il est également possible de commencer l'expérience avec la lentille et de la retirer ensuite). On compare les qualités de l'image obtenue.

- La netteté : la lentille étant placée contre un trou de diamètre non négligeable (on a intérêt à ne pas trop diaphragmer), on constate son amélioration. La lentille permet donc une reproduction ponctuelle de l'objet, bien que le faisceau incident ait une section non négligeable - La luminosité à netteté équivalente, elle est beaucoup

plus grande

- La position est inchangée.

On interpète à l'aide de schémas. La lumière issue d'un point de l'objet pénétrant dans la lentille est concentrée au point correspondant de l'impge (cf PI p.19 )<

/ /

-

-

-

.

--

,,'/

---Cas de la lentille

Si on a choi s i de montr er l'action sur un faisceau à l 'aide d'une des expérienc e s décrites en 1 - 1 ou 1 - 2, on fera malgré tout cette expé r ience, pour montrer ce qu'est l'image (reproduction ponct uelle), et à ti t r e d'exercice, on p~oposera aux élèves de tracer les fa i sceaux lumineux.

2 - Propriété du centre de la lentille (cen tre opt i que)

1 - Appareils visualisant le faisceau. On forme l'image ponctuelle du point objet. On marque la position de la lentille. En la dépla-çant, on constate l'alignement du point objet, du point image et du centre de la lentille.

2 - Boîte noire On utilise l'expérience décrite plus haut (1 - 3) On diaphragme la lentille. La luminosité seule varie, et non

la netteté ni la position de l'image: on peut donc aligner

un point de l'objet, le centre de la lentille et le point corres-pondant de l'image (cf Pl P.19 )

3 - Distance focale

1 - Avec la boîte noire ou l'appareil photo. On observe les images d'objets très éloignés. On mesure à quelle distancp de la lentille elles se forment : on recommence avec différentes lentilles. On constate éventuellement dans le cas de la lentille de l'appareil photo, que la dis t an ce mesurée correspond au chiffre porté sur l'objectif . Cette grandeur est une caractéristique de la lentille. On l'appelle sa distance focale.

2 - En vis ualisant le faisceau, on mesure la distance de la lentille à laquelle se concentre la Lumi.èr e d' un faisceau parallèle. On peut alor s fa ire remarque r qu'un point ou un pr it objet tr è ~

3 - Avec une si mpl e lentille, on forme l'image du soleil sur une feuille et on mesure la dis tance entre la lentille et ce "poinr'lumineux. Le soleil étant très éloigné, la lumière qui nous en parv i en t est assimil able à un fai s c eau parallèle ; on fait ains i le li en ent re 3 - 1 et 3 - 2.

4 - En utilisant la boîte noir e on app roche progress ivement l'objet de la lent i lle . On cons tate qu'à partir d'une certaine distance que l'on mesure ra , il est impossible d'obtenir une image. Cette distance est éga l e à la di s tance focale.

Il fau t remarque r que l'on a mesuré alors la distance foyer -ob j e t -lenti l l e , alors que dans les expér iences précédentes , on mesure la dis t anc e lent i ll e- foye r image. Mais cette distinc tion n'est pas ut i l e pour les élèv e s. Cependant, il est excellent, dans tous les cas, de montrer que la face d'entrée de la lumière dans la lentille n' inte rv i en t pas (symétrie des foyers par rapport au centre op t i que ) .

4 - Plans conjugué s

L'existence, pour une lentille donnée, d'un plan image un~que

pour un plan objet donné a été observée. Les élèves rencontrent pratiquement ce t te notion lorsqu'ils font les premières prises de vue et leurs pr emiers agrandissements. Mais ils sont alors très préoccupés pa r le rés ultat pratique et ne prennent pas conscience de la signif i ca tion des ré gl age s effectués. Une étude systématique doit donc êt r e reprise. Pour une lentille donnée, on observe le sens de variation l'image s'é loigne lorsque l'objet se rapproche. La connaissance de ce sen s de va r i at i on suffit en photographie. On peut désirer fair e des mesures. Il faut être c~nscient qu'elles ne servi-ront qu'à obliger les élève s à précise r leurs observations; elles n'apportero n t rien de plus. La relation entre la distance objet-len-tille et la dis t an ce lenti l le-ima ge fait intervenir la valeur de la

distance foc a l e et ne se déga ge pas à la vue d'un tableau de résultats. Il es t donc inutile de l'introduire. De plus, les

élèves n'ont jamais, en pra t i que , à résoudre le problème: connaissant

la position de l 'objet, calculerla position de l'image ou inversement.

En ch an ge an t la lentille (variation de la focale) sans en modifier la distanc e à l'obj et , les élèves pourront observe r que

1 - Appareil à fai ~E eau vî.s ualLaâ . A un point objet corre s pond un point image unique, de position bien dlfinie . Si on déplace le point objet dans un plan parallèle à la lentille,(en ne s'éloi-gnant pas trop de l'axe de la lentille), le point-image se déplace dans un plan paral l èl e à la lentille.

si on approch e le point objet de la lentille, la distance objet-len ti lle restant supérieure

à la distance focal e , on obs e rve l'éloi gnement de l'image. Les dimensions de l'appareil limitent les possibilités.

2 - Boîte noire . On choisit un objet plan , par exempl e des motifs de scotch noir coilis sur une plaque de ve r r e , b i en éclairée, ou sur une vitre. On cherche à obtenir une image nette. On observe son renversement (haut-ba s , droite-gauche) . Expérimen-talement les élèves s'aperçoivent de l 'exhtence d'une UAti t ude de mise au point. M~is les variat ions possibles sont très faibles si la lent ille n'est pas trop diaphragmée. On compare aux résul-tats obtenus avec un trou et on dégage l'idée que l'image parfai-tement ne tte se fOrme dans un plan bien déterminé. On interprète les ré sultats à l'aide du modèle (cf Pl ). Puis, on étudie le déplacement de l'image lorsque l'objet se rapproche de la lentille, sa distance à celle-ci restant toujours supérieure à f. Cette étude met en évidence la nécessité du fond coulissant et de dimen s i ons adaptées à la (ou les)lentille(s) utilisée(s).

(N.B.: f désigne ici la distance focale) 5 - Grandissement

L'étude exp ~ riment ale se fait facilement avec la boîte noire. Il est avantageux (g.iin de temps) de la conduire en même temps que l'étude d~s plans conjugués. On mesure l'objet. Pour plus de commo-dité, on utilis e un papier calque millimétré sur lequel on mesure

directerr.ent l'irr,age. I l peut être utile de prêciseê aux élèves r,.ue lorsque l'ima ge es t plus petite que l'obiet, on pt · ncore parler de grandis sement ; il devient simplement plus petit que 1. On le définit donc: comrne le rapport é ..~- -.a dimension de l'image et celle

rle l'objet. L'objectif est de mon~rer aux élèves que ce grandissement dépend de tr o is pa ra m~t re s liés entre eux .

-

La pos i t ion de l'obj e t .

- 1.'J posiLi (,Il GE l'ima ge

_•

1 ,

1~ f ~.'••{ c tclc., lc dt' la _lentil _Le,

- Soit la distance focale : pour une lentille donnée, on étudie le grandissement en fonction de la position de l'objet;

- Soit la position de l'objet par rapport à la lentille: pour des lentilles de distances focales différentes, le grandissement aug-mente lorsque f augmen te.

Les élèves interprètent les résultats en utilisant le modèle proposé. Il met clairement en évidence que le grandissement croît lorsque l'image recule. Pour obtenir ce résultat, deux solutions sont possi-bles :

- Approcher l'objet (on peut remarquer alors qu'il est impossible de l'approcher au-delà d'une certaine limite égale précisément à la distance focale) ;

- Augmenter la distance focale.

cl

UTILISATION DES CONNAISSANCES ACQUISES

Après cette étude, il est essentiel de revenir à la pratique. Un des objectifs est de permettre aux élèves d'utiliser de façon raison-née et correcte • les appareils qu'ils ont à leur disposition.

- L'appareil photographique. Après avoir pris une photographie avec la boîte noire, on précisera les conditions de fonctionnement de

l'appareil: le plan dans lequel se forme l'image est fixé. Que signifie le réglage en distance ? Eventuellement on pourra discuter sur le choix de la focale d'un appareil lorsqu'on veut prendre des photographies dans des conditions précises (objet très éloigné, photographie d'objets très petits).

- L'agrandisseur. Il possède un objectif de focale donnée. On veut obtenir une image nette. de taille déterminée. Que peut-on faire?

- Le projecteur de diapositives. Où placer l'écran pour avoir une image aussi grande que possible

?

Que fait-on pour "mettre au point" l'image?

CONSTRUCTION DE LA BOITE NOIRE

La boit e devra servir ~ la fois à l'€tude de la reproduction nar un sirapLe trou et

l

l'étude des propriétés des lentilles.

Nous donnons ici-dessous différentes sclutions parmi lesquelles on pourra choisir suivant ses possibilités.

1) PoU~? observation collective

1 - Or. peut transformer le laboratoire en chambre noire. Dans un volet, on perce un orifice bouché

A

l'aide d'un tampon percé d'un petit trou. Un jeu de tampons A trousde diamètr~diffé­ rent5(de 1 mm A 5 mm) sera également utilisé.

On peut observer la reproduction du paysage extérieur sur un grand calque ou un dépoli f-il(50 cm de côté) el) se plaçant A

1,50 mdu trou.

2 - Ou peut construire une boite en contreplaqué, en prévoyant un dépoli 1"'...bile à placer au fond, et, pour l'entrée, un disque

uobil e l'étal li ql1e portant des trous de grosseur variable.

<._---._ - - - ,

DISI/UE N~:TALLl qUE

o

1FACE AVANT PERCEE

jD'UN TROU ( .fY'du tro •

l

if

de la lentille"liT d prus-gros trou du dlsque)

FACE AVANT EQUIPEE DU DIS UE UETALLICLrr:

L -_ _...;)...;...;.==:.::...:::-.~....

2) Pour ~n<~ _observation individuelle

Chaque g=oupe , sinon chaque élève, peut construire sa boite. Si on veut que celle-ci puisse également servir pour l'étude de l'iIT~ge

donnée par tlne lentille, les dimensions de la boîte doivent pouvoir varier suffisamment. La forme reste sans importance. On peut donc, soi t: :