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ARTheque - STEF - ENS Cachan | Modèles de la lumière : les conceptions des étudiants de 1ère année universitaire

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Texte intégral

(1)

MODELES DE LA LUMIERE : LES

CONCEPTIONS DES ETUDIANTS DE 1ERE

ANNEE UNIVERSITAIRE

Richard LEFEVRE André ESCAUT

Groupe d'Etudes et de Recherches Pédagogiques Université Paul Sabatier, Toulouse

["lots cles •'conceptlons, modèles, lum1t:re

Resume Au cours de l'enseignement secondaire, troIS mont:les ,Ji,-la lumière ont èté proposes aux eleves. les rayons lumIneux, le modele ondulatOIre et le modele corpusculaIre tJouS el<arnlnOns, } l'entrèe de l'UnIversIté, les conceptIOns des etudlants

VIS-a-I/l"-de ces modèles, la façon dont ils les utilIsent

Abstract: Ail along the french Secondary teacrHng level, H,re.,.

modelsof llght have been proposed to pupIls. llqt"lt ra,!3 model, waveiorm model and corpuscular model When enterlnt] Unl',erslT '::, '.Ne examIne ml5conceptIOnsof students about these nFJckls ar,'J how tI"',e,! won.: wlth

(2)

Dan~ le ç~dre d'une étude ~ur le~ tran~ition~ dan~ le ~y&teae

éducatif{~). nou& nou~ &OaRe& intére&~é& aux conception~ qu'ont le~ étudiant& &ur la Lumiere.

Plu~ieur& rai~on~ ont guidé ce choix :

1) C'e~t un doaaine peu étudié comparativement ~ d'autro8 (teapérature, chaleur, aécan1que, circuits électriques).

2) C'est un domaine où de~ difficultés ~érieu~es ont été relevées depuis plu8ieur~ ennées : ~i l'on évoque les interprétations données par le~ jeune~ élève~ pour de~ ~ituetion~ h.isant intervenir le courant électrique ou la chaleur. où il est que&tion de traD~fert

d'énergie, çeux-ci évoquent un médiateur entre une aource et un récepteur(2). Ce n'est pa~ le cas pour des situation8 mettant en jeu la Lumi~re. L'entité "Lumière" n'est pas reconnue pour elle-aêae elle n'e~~~te qu'en pré~enced'une source et/ou d'un récepteur

(l'oell){"')

1, LES IIIDg.ES DI L4. LImIJIlI

D1fférents .odèle~ explicatif~ ~ur la nature et le comportement de la Luaière ont été proposés aux élèves au cour~ de leur &colarité :

~) Le modele des "rUQn; lumineux"

En clas&e de Quatrième, bien qu'aucune étude de la notlon de rayon lumineux ne &oit fai te (on parle de tahceaux ...L ce modele e~t pré~ent dans le8 tigures relative& aux instruments d'Optique et dans les titres de certains paragraphes : "rayons" ultra-violets, "rayons" intre.-rouqes .... "rayons" solaires.

En classe de Première la

D&112n

de rayon lumineux e~t étudiée. Ce modèle e~t ut1li~é pour décr1re le. propagation rectiligne, pour exposer les lois de la réflexion et de la rétract10n.

~) Le .0dOle ondulatoire

En classe de Pre.iere, ce .odèle per.et l'lnterprétation des phéno_ènes de diftraction et d'intertérence~par de~ fentes ou de~

ouvertures circulaire&. Il sert au~s1 ~ exposer la dispersion de la Lumière par un réseau.

~) Le modOle corDusculaire

ln classe de Terminale. c'est le mod~le utilisé pour exposer l'eftet photoélectrique, l'effet Co.pton et la résonance optique.

Le. question e~t de savoir s1, au ao.ent de leur entrée dans

l'Enseignement Supér1eur, le~ élèves ont ass1_11é l'un de ces aodèle~

et ~'il s'en ~ervent opérat10nelleaent ou bien s'ils passent de l'un l l'autre selon le3 circonstances, ou bien encore s'1l~ n'ont aucun .odèle de référence.

(3)

Z-IŒ'QI)DOLQGJI

Nous avons choisi de questionner les étudiants, par écrit, au courB des premiers jours de leur entr~e ~ l'Université. Un questionnaire a ainsi ét~ ~labor~, ~ partir de deux Béries d'entretienB :

a - une premi~re série d'entretienB (non directifs) de dix à quinze minutes chacun sur le th&me général de la Lumi~re : qu'eBt-ce que la

Luai~re ? Se propage-t-elle ? Comaent ? Qu'est-ce qui produit de la LumUu ?

b - une deuxi~ae série d'entretiens (seai-directifs) sur leB mod~les

de la Lumi~re, les sources, la viBion et la couleur deB objets. L'analyse de contenu de ces différents entretienB a servi de baBe à

l'élaboration d'un questionnaire testé dans le cadre du programae RAn!AU (Recherches sur l'Amélioration des Uéthodes d'Enseignement et d'Apprentissage à l'Université) regroupant leB UniversitéB

scientifiques de GR!NOBLl 1. LYON l, UONTPlLLIER II et TOULOUSE III. Ce questionnaire a été proposé ~ un échantillon de 176 ~tudiantB de Prem1&re Année de Prem1er Cycle Scientifique r~parti dans leB quatre universités.

Parmi leB 44 queBtionB, celles numérotées Q30 ~ Q36 portaient

particuli~rementsur les aod~les de la lumi&re. On trouvera ~ la page suivante leur libellé et leB réponses des étudiants

1) Cette sér1e de questions est caractérisée par un pourcentage élevé de non-r~ponse8 (de 16 ~ 36 ~ 1) révélateur des hésitations des 6tudiants.

2) Un pourcentage non négligeable. de l'ordre de 20 ~, répond

ayst6aatiqueaent "ondulatoire ~ corpusculaire", Ce sont ceux qu1 ont intégré la propriété de la Luai~re de manifester leB deux aspectB. 3) !n Q36 et Q37 et m6me en Q35. on voit augmenter le pourcentage de "ni ondulatoire, ni corpusculaire". Nous interpr~tons ce phénoa~ne

par l'intervention du mod~le des rayons lumineux, certainement mieux

adapt~ dans ces cas.

o

JOj 0 J8 OIJ deul! le comportel?7l3lJt de 13 IUfll/&ré' f?() COIJsld&r31J! SOIJ C3r3ct&rl3 OIJdul3!OIre ou corpuscuI31/'e 03IJS les

5/!U3!IOIJS sulv.:m!es, r&jJoIJdez f?() U!/lJS3IJ! 1135 dlf(&rf?()!13s proposI!;(;ms .'

(4)

ondulatoire corpuscu- ondulatoire ni ondulatol non-seulement lalre seule et corpuscu re ni cor- reponses Les nombres e,pnment des'l ment lalre pusculaire

a.

1La lumière se propage

48 Il 18 5 18

dans le vide Son 30 caractère est alors ..

a.

1La lumière transporte

9 50 21 2 18

de l'énergie. Son 31 caractèr'e est alors

a.

La lumière est

13 36 23 3 25

responsable de l'efiet 32 photo-électrique. Son

caractère est alon . La lumière change de

9 20 6 26

a.

vitesse de p,'opagation 39 33 Quand elle passe d'un

milieu transparentà un autre. Son caractère est alo"s '

a.

La lumlèr'e peut donnerlieu à des phénomènes 50 9 11 5 25 34 dïntel'férences Son

caractere est alors La lumiere Infra-rouge

17

a,

ou ultra-vIOlette est 39 9 Il 24

35 InVISible pour l'œil humain Son caractère est alors

Q. Au Cinéma. on forme 14 15 20 17 34

36 sur l'hl'an l'Imaged'une scène Inscrrte sur un film. La lumlére utilisee a alors un caractère

a,

A laide de Jumelles, 16 7 21 18 38

37 on peut observer l'Image d'un objet élOigne. La lumière a alors un carac tére

a.

La lumière 33 14 19 4 30

monochromatique (une 38 seule couleur) a un

caractere

Parai le~ étudiant~ qui utili~ent ettectiveaent le~ aod6le~ de la Luai6re. on retrouve bien entendu le~ troi~ aod6les ettendu~ : le aod6le de~ rayon~ lu.ineux. le aod6le ondulatoire. et le aod6le

(5)

corpusculaire.

3. 1 le .oo61e dea IIlyooa luaiDeuz

Ce modèle est utilil)é prioritairement par certains étudiant3 quelle que soit la situation propos6e :

À propos d'une expérience où l'on crée une ombre I)ur un écran

"(. .. ). 1.4.. l4s raTons s'6ncastunt (sur l'écran) .: je pense qu'ils

s·'Jncastrent. Ils resttlnt contat l'écraD. (. .. ) .•

Si on les queationne I)ur lea modèles ondulatoire et corpusculaire. le modèle des rayons lumineux demeure prépondérant :

"En ,fait.. jtl S6lis pas si la LUllier4 4114 orxiu16 beaucoup lIoi.

j'illa"in6 plutot des rarons.. tous plus ou~oinsparal14lfls entre eux. /fBis J·4 ntl les Io"o.is pas 4n train d'oscillt1r 14s uns par rapport 8U.r autr4s.•

Et è propos des sources lumineuses :

L 'dn4r"~·tI c~'ndtiqutl d4s é14ctrons S4 trans,for~eer1 .taTons lUMiDeux"

En tait. dans l'Enseignement. ce modèle est constamment utilisé, même s'il n'est pas étudié en tant que tel: la léqende d'une tigure d'un livre de Quatrième laisse échapper :

"L4 So14~'1 dtant tres dlo~·"nd.. 14sHX~qui arrb'ent sur 1'6rr4 sont

.t pltU pres P8ralle16s. " 3.2 le .oo6le corpusculaire

Le modèle corpusculaire est tortement teinté d'un modèle mécaniste il est utilisé par des étudiants peu portés è l'abstraction; ce résultat a déjè été dgna16(4).

"(. .. ). LtI pbdno~en4corpuscu18ir4.. C'tlst pas llal .. C'tlst Moins 8bstrai t ( ... ). C'tlst plus pb.T,'siqult ( ... ). "

Le modèle corpusculaire. bien que connu des étudiants pose un problème quant è la nature de la particule porteuse : la particule élémentaire peut-être un photon. bien sûr. mais aussi un électron ou .Alle un proton 1

"Le ~ode14 corpuscu18~re.. une petite particu14 qui se dépl8c6 4 une certain4 ~'~·tItSStl.. ça ~4 tait p4ns4r of un canon .t d14ctrons (. .. )"

"La LUII.i4r6.. ... l'an dltrni4r.. on M'a dit qutl c'dtait d4s. . '.' ça .'8 étonné d'ail14urs.. dits particullts sans IlaSSIt .1 des pbotons. .. j'ai trouT·'t1 ~a bi.rarr4. . •o~· ça ~4 surpr4nd un truc COMMit ça. "

On reaarque aussi une tendance è considérer le modèle corpusculaire COaBe prépondérant dans les cas où il est question d'énergie

"si l'éDer"ilt Itst "randlt.. litpbdno~4nltcorpusculair4 tlst plus lIlportant qu4 si 4114 4st ,faiblit. M

"L'OMit.. C'4St qultlqu4 cbos6 d'i. .ttriÙ 4t le ,faU qu'on doU lui associflr unit CltrÙinlt tnu".1;. .. donc i l a fallu introduire le tait quit C'ltst corpusculairlt. "

3.3 le .0061. ODdulatolr.

Le aodèle ondulatoire est considéré cOmlle un aodèle abstrait.

L'onde lumineuse est vue cOllae une entité abstraite. se prêtant bien è des traitementa aatbéaatiquea. Elle eat décrite easentiellement par des tormules.

~<.'Iu'6st-c4qu4 C'ltst unit OMit? J4 pourrai tMoritlU6.4nt 18

caractlris4r.. lItJis .'ous dir4 C4 quit C'4St 1 JIt nit sais pas.. je ne sais J)4s. ..

La notion de longueur d'onde est très aal assiailée. À torce de lire ou d'entendre: " la longueur d'onde d'une radiation est de ... x nanomHres ... " sans précber : "dan; 10 yideM

(6)

donnent à À un ~tatut de con~tante phy~ique indépendante du milieu.

Ain~i, ce mod~le ondulatoire e~t peu opératoire pour expliquer de~ phéno.~ne~ tel~ que réfraction, di~per~ion, diffraction.

La propriété de aonochromaticité d'une onde reste a~sociéeau ~eul mod~le ondulatoire.

Ce .od~le e~t peu explicatif ; on lui préf~re le .od~le

corpusculaire, plu~ aécani~te.

Quelque~ étudiant~, conscient~ du double a~pect onde-corpuscule, prennent clairement position pour l'aspect corpusculaire

Nl" dwlitd j)llrticu18-ond8 8St 8n f""'8ur d6s jMrticu18.5N

Nle.5~ 1U11ineu.58s sont gO I«it d6s jMrticu18.5 de l/I4ti4r8 : 18.5

photonsIl

N14 lUlli4r8 est consti tU68 d8 ,U4Cticu18.f .5lQJports du Mqyv8M8nt

ondullltQi«N

OOJn.05IOII

Globalement, le~ étudiant~ de 1~re année univer~itaireraisonnent à

l'aide de .odèle~ de la Luaière. Le~ modèles ondulatoire et

corpusculaire ~ont souvent un ~ujet de doute et on préfère utiliaer le mod~le de~ rayon~ lumineux, plu~ familier.

On note une tendance pour le modèle ondulatoire à caractériser des

phénom~neaplutôt ab5trait~ du point de vue de l'étudiant:

propagation dana le T1.de. cbo.DlJeaent de rtteaae de propegation.

intert~rSDCea. Au contraire le .od~le corpusculaire caractérise des

phéno.~ne~plus concrets t~rt d·6Derv~e. effet photoélectrique,

Quoi qu'il en soit, les trois .od~le~ ~ont vus de mani~re très indépendante et on e~t loin d'un modèle unificateur intégrant lea troi, aspecta : ondulatoire, corpu~culaireet rayon luaineux.

Rét6rence, :

(1) ATP Recherche en Science de l'Education. "Les trQn;itiona dan,

~y'atOme édycotifM

. Miniat~re de l'Education Nationale,

Direction de, ln~eiqnement,Supérieurs, Pari" Juin 1983.

(2) E. GUESNE, A. TIBERGHIEN et G. DELACOTE Uéthodo~ et rO~ultet;

concernant l'anoly'~e de~ conce~tionsde; élbye, dan; différent; do;oine, de la Phy~ Revue Françai,e de Pédagogie n015, 1978

(3) E GUESNE. L4Ilère et Vi;ion de; ObJet;

un

exemp~ ~Rr6~eDtatloD~ de; rhÔno.bne, Phy~e; rréexi~tantè

l'En~eig~ Physics Teachinq in school" GD!LECOTE Ed. 6ème ,éminaire du GIREP, Montpellier, sept.1976,

(1) R L!FEVRE, A ESCAUT Le~ conceRtion, des étudiant' à

l'entrée don; l'Un1yer;it6 à RL2p.o; de la LuaiOre feuillea d'Epi,témologie Appliquée et de Didactique de~ Science~, n07, A. GIORDAN, J, -L. nARTINAND Editeur~, 1986.

Références

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