laboratoire ombre et pénombre

LABORATOIRE OMBRE ET PÉNOMBRE
Activité expérimentale
Document d'accompagnement
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Janvier 2008
Document d'accompagnement du laboratoire OMBRE ET PÉNOMBRE
OBJECTIFS COUVERTS PAR LE LABORATOIRE
Observer les phénomènes d’ombre et de pénombre en relation avec l’étendue de la source
de lumière et les distances entre la source, l’obstacle et l’écran.
Se familiariser avec la démarche expérimentale.
Utiliser l’expérimentation comme moyen d’exploration.
Se familiariser avec la rédaction d’un protocole expérimental.
Comprendre la nécessité d’explorer une seule relation à la fois.
Se familiariser avec l’exécution d’une expérience.
Suivre un protocole expérimental simple.
Observer un phénomène dans le cadre d’une expérience.
Manipuler du matériel dans le contexte d’une expérience simple.
Se familiariser avec l’analyse scientifique de données expérimentales.
Présenter des données expérimentales au moyen d’un tableau à double entrée.
Traiter des données expérimentales.
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PROTOCOLE DE L’EXPÉRIENCE
Avant d’entreprendre cette étape, assure-toi d’avoir un espace de travail propre, dégagé
et suffisamment sombre. L’obscurité totale n’est pas nécessaire, mais il est plus difficile
d’observer les ombres formées par la source du montage s’il y a trop de lumière ambiante.
Ferme les rideaux et, si la surface de travail est polie, recouvre-la d’un tissu foncé. Si
tu travailles près d’un mur blanc, éloigne la table de travail ou couvre le mur d’un tissu
ou d’un carton foncé.
BUT
L’expérience vise à vérifier que la lumière se propage en ligne droite, en mesurant les
dimensions de l’ombre formée sur un écran par un obstacle éclairé à partir d’une source
ponctuelle en faisant varier la grandeur des obstacles, puis la distance qui sépare la
source de l’écran (partie A). Dans la partie B, tu vérifieras que la propagation
rectiligne de la lumière explique les formations d'ombre et de pénombre obtenues par
une source étendue.
MATÉRIEL
Rassemble le matériel listé ci-dessous.
Partie A
Fourni avec la trousse
À se procurer
porte-piles avec fils
2 piles de 1,5 V de format AA
1 ampoule miniature (3 V) avec socle
3 cartons noirs rigides pour les obstacles :
1 pince-notes 7/8 po (20 mm)
2 cm × 2 cm, 3 cm × 3 cm et 4 cm × 4 cm
1 ruban à mesurer de 1 m gradué au 1 mm
2 cartons 8 1/2 po × 11 po pour l’écran
1 feuille de papier millimétrique
papier collant ou brocheuse
tournevis
Partie B
1 ampoule veilleuse (5 W) avec socle
1 pièce de 2 dollars
rallonge électrique (120 V)
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PARTIE A – LA SOURCE PONCTUELLE
MANIPULATION
Tu vas d’abord préparer le montage et vérifier s’il est fonctionnel. Procède par étapes
en suivant les consignes données plus bas. Une fois terminé, le montage ressemblera
à celui de la figure 1.
Figure 1 – Montage pour les manipulations avec la source ponctuelle
Sour
Por
Socle
b
Ru
La source ponctuelle
Une source de lumière ponctuelle est une source de petite dimension, assez petite pour
être considérée comme un point lumineux. Dans cette expérience, l’ampoule miniature
sert de source ponctuelle.
1. Visse l’ampoule miniature dans le socle. Branche les deux fils du porte-piles au socle
à l’aide du tournevis. Introduis les piles dans le porte-piles et vérifie que l’ampoule
s’allume. Lorsqu’il fonctionne bien, mets de côté ce montage.
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Les obstacles
Les obstacles sont les 3 carrés noirs de 2 cm, 3 cm et 4 cm de côté.
2. Pince le plus petit obstacle dans le pince-notes de sorte que l’obstacle soit vertical
et bien droit. (Le bord supérieur de l’obstacle doit être horizontal.) Mets-le de côté.
L’écran
3. Fabrique un écran à l’aide des cartons de 8 1/2 po × 11 po (figure 1). Assemble-les
de sorte qu’ils tiennent à la verticale. L’un des cartons sert d’écran et l’autre de support.
Fixe la feuille de papier millimétrique sur l’écran à l’aide du papier collant ou d’une
brocheuse.
Le papier millimétrique te permettra de mesurer la largeur des ombres; il est divisé en
carrés de 1 cm de côté, subdivisés en petits carrés de 1 mm de côté.
Le montage
4. Fixe le ruban à mesurer sur la table, bien droit, à l’aide du papier collant. La
graduation métrique doit paraître sur le dessus. Le ruban sert à aligner la source
ponctuelle, l’obstacle et l’écran.
L’axe sur lequel sont alignés la source, l’obstacle et l’écran est appelé « axe optique ».
Il correspond ici au ruban à mesurer.
5. Allume la source et place-la à une extrémité du ruban. Place l’écran à l’autre extrémité
et l’obstacle entre les deux. Éteins les lumières dans la pièce (sauf la source) et ferme
les rideaux. Ne te préoccupe pas des distances pour l’instant.
6. Explore pendant quelques minutes sans prendre de mesures : observe ce que devient
l’ombre si tu déplaces la source, l’obstacle ou l’écran. Déplace l’obstacle à côté de
l’axe optique et vois comment l’ombre se déforme.
Remarque que seule la partie supérieure de l’ombre est visible sur l’écran. C’est tout
à fait normal avec ce type de montage.
Lorsque les composantes ne sont pas bien alignées, constate que l’ombre est déformée,
c’est-à-dire qu’elle n’est plus carrée comme l’obstacle. Pour la suite de ce travail, la
source, l’obstacle et l’écran devront être chaque fois bien alignés sur l’axe optique.
La taille de l’obstacle
Dans cette partie, les distances qui séparent la source, l’obstacle et l’écran restent toujours
les mêmes. Seule la taille de l’obstacle varie d’une mesure à l’autre. On peut ainsi établir
une relation entre la grandeur de l’ombre et la taille de l’obstacle.
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7. Place la source sur le ruban (axe optique) en alignant le centre de l’ampoule sur la
marque de 0 cm; mets ensuite l’obstacle (2 cm × 2 cm) à 20 cm de la source en
alignant bien le carton noir sur la marque; place l’écran à 40 cm de la source,
directement sur la marque. (Ton montage devrait alors correspondre exactement à
celui de la figure.) Vérifie ensuite l’alignement.
Si l’alignement est bon, l’ombre devrait être bien carrée (comme l’obstacle) et la limite
supérieure de l’ombre devrait être horizontale. Si tel est le cas, passe à l’étape suivante.
Sinon, déplace légèrement les composantes de sorte que les centres de la source
ponctuelle, de l’obstacle et de l’écran soient sur une même ligne.
8. Mesure la largeur de l’ombre sur l’écran en utilisant le quadrillé comme repère
(1 grand carré = 1 cm et 1 petit carré = 1 mm). Note ensuite la valeur dans le tableau 1
de « Résultats ». Exprime la largeur en centimètres et donne une décimale.
9. Observe le contour de l’ombre sur l’écran. Inscris dans le tableau « net » si le contour
semble bien découpé, et « flou » s’il est large et mal défini.
10. Reprends les consignes 7 à 9 après avoir remplacé l’obstacle de 2 cm × 2 cm par
celui de 3 cm × 3 cm. Refais-les ensuite avec l’obstacle de 4 cm × 4 cm.
La distance source-écran
Dans cette partie, tu vas varier la distance qui sépare la source de l’écran en déplaçant
l’écran entre les mesures. La source et l’obstacle restent en position fixe. Tu utiliseras
l’obstacle de 3 cm × 3 cm pour toutes les mesures; tu pourras ainsi mieux saisir l’effet
de la distance source-écran sur la grandeur de l’ombre.
11. Place l’obstacle de 3 cm × 3 cm à 10 cm de la source ponctuelle, elle-même étant
sur la marque de 0 cm sur le ruban.
12. Place l’écran à 20 cm de la source, sur la marque correspondante du ruban. Vérifie
l’alignement et corrige au besoin.
13. Mesure la largeur de l’ombre sur l’écran en utilisant le quadrillé comme repère.
Note ensuite la valeur dans le tableau 1 qui suit.
14. Observe le contour de l’ombre sur l’écran. Inscris dans le tableau le mot « net »
s’il semble bien découpé, ou « flou » s’il est large et flou.
15. Répète les étapes 12 à 14 en déplaçant successivement l’écran sur les marques de
25 cm, 30 cm, 35 cm et 40 cm. Note à chaque fois dans le tableau la largeur de
l’ombre et la netteté de son contour.
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RÉSULTATS
Tableau 1 – La taille de l’obstacle
La taille de l’obstacle
La taille de l’obstacle
Obstacle
Obstacle
2 cm × 2 cm
2 cm × 2 cm
3 cm × 3 cm
3 cm × 3 cm
4 cm × 4 cm
4 cm × 4 cm
Largeur de l’ombre
Largeur(cm)
de l’ombre
(cm)
La distance source-écran
Tableau 2 - La distance source-écran
La distance source-écran
Distance source-écran
Largeur de l’ombre
Distance(cm)
source-écran
Largeur(cm)
de l’ombre
(cm)
(cm)
20
20
25
25
30
30
35
35
40
40
Contour
deContour
l’ombre
de l’ombre
Rapport
ombre/obstacle
Rapport
ombre/obstacle
Contour
deContour
l’ombre
de l’ombre
Rapport ombre/
distance
source-écran
Rapport
ombre/
distance source-écran
Tu as maintenant terminé les manipulations de la partie A et rempli deux colonnes
des tableaux. Tu rempliras la dernière colonne lorsque tu feras l’analyse des résultats,
après avoir complété les manipulations de la partie B.
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PARTIE B – LA SOURCE ÉTENDUE
MANIPULATION
Le montage est semblable à celui de la partie A, mais l’ampoule miniature est remplacée
par une ampoule de 5 W et l’obstacle est circulaire.
Figure 2 – Montage pour les manipulations avec la source étendue
Écran
Obstacle
circulaire
Pince-notes
cm
20
Source étendue
Ampoule
ban
Ru
er
sur
e
àm
cm
15
que
pti
o
e
Ax
cm
10
La source étendue
Une source étendue est de dimension non négligeable par rapport à la grandeur du montage.
Une source étendue est trop grande pour être considérée comme un point lumineux; c’est
plutôt une surface éclairante. Dans ce montage, l’ampoule de 5 W est une source étendue.
1. Visse l’ampoule de 5 W dans le socle de caoutchouc. Branche la rallonge électrique
dans une prise de courant. Branche la fiche du socle à la rallonge et vérifie que la
lampe s’allume. Lorsqu’il fonctionne bien, mets de côté ce montage.
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L’obstacle
2. Pince solidement la pièce de 2 dollars dans le pince-notes. Elle tient lieu d’obstacle.
Au besoin, utilise un élastique pour fixer la pièce afin qu’elle ne bouge pas.
L’écran
3. L’écran doit être uni et blanc. La partie qui servait de support en A est ici utilisée
comme écran. Si le carton utilisé n’est pas blanc, recouvre-le d’une feuille blanche
et fixe-la avec du papier collant ou une brocheuse.
Le montage
4. Aligne les composantes (source, obstacle et écran) sur le ruban (axe optique) et allume
la source.
5. Explore en déplaçant tour à tour la source, l’obstacle et l’écran. Observe l’ombre
formée sur l’écran. Note dans le tableau 3 de « Résultats » donné plus loin si le contour
de l’ombre est net ou flou.
Tu devrais normalement observer une zone d’ombre entourée d’une zone partiellement
éclairée. On appelle « pénombre » la zone grise qui sépare l’ombre (noire) de la zone
pleinement éclairée.
Figure 3 – Ombre et pénombre
Zone éclairée
Ombre
Pénombre
Seule la partie supérieure de l’ombre est visible sur l’écran avec le montage utilisé.
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6. Place la source sur la marque de 10 cm du ruban. Place l’obstacle à 15 cm de la
source, soit sur la marque de 25 cm. Installe l’écran sur la marque de 45 cm. Vérifie
l’alignement.
Si l’alignement est bon, l’ombre devrait avoir une forme parfaitement circulaire, comme
l’obstacle. Sinon, déplace légèrement les composantes pour corriger la situation.
7. Éloigne la source de l’obstacle : fais-la d’abord glisser sur la marque de 5 cm et ensuite
jusqu’à la marque de 0 cm. L’obstacle et l’écran restent au même endroit. Observe et
note les changements dans les dimensions de l’ombre et de la pénombre; inscris dans
le tableau 2 de « Résultats » si ces dimensions augmentent, diminuent ou restent les
mêmes, à mesure que la source s’éloigne. Note également si la pénombre devient de
plus en plus importante par rapport à l’ombre à mesure que tu éloignes la source ou
si, au contraire, la pénombre diminue en importance.
8. Place la source sur la marque de 0 cm, l’obstacle sur la marque de 15 cm et l’écran
sur la marque de 35 cm (à 20 cm de l’obstacle).
9. Éloigne maintenant l’écran de l’obstacle; fais-le d’abord glisser sur la marque de
40 cm, puis sur la marque de 45 cm. Note tes observations dans le tableau.
RÉSULTATS
Tableau 3 – Exploration
Ombre*
Pénombre*
Importance
de la pénombre*
La source s’éloigne
L’écran s’éloigne
*Dans chacune des colonnes, inscris « augmente », « diminue » ou « reste la même ».
Contour de l’ombre (net ou flou) : ___________________________
Tu as maintenant terminé l’ensemble des manipulations. Le tableau devrait être
complet. L’étape suivante consiste à traiter les informations recueillies, c’est-à-dire à
analyser les résultats et à les discuter. Pour ce faire, retourne dans le cours pour compléter
la 2e partie du laboratoire Ombre et pénombre.
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