Conceptions en optique géométrique

1. Conceptions en optique géométrique Christian Buty Christian.Buty@inrp.fr 30 novembre 2006 B3C

2. Plan de l’exposé • L’optique élémentaire, une conceptualisation pleine d’obstacles • La lumière issue d’un objet • La formation de l’image d’un objet à travers un système • Application à une situation de classe

3. Les obstacles inhérents à l’optique (1 : issus de la vie quotidienne) • La perception immédiate des phénomènes lumineux ne donne accès immédiatement à aucune des caractéristiques physiques essentielles du modèle (vitesse, nature ondulatoire ou corpusculaire…) • L’observation des phénomènes dans les milieux communs (air, eau) introduit des phénomènes parasites qu’il n’est pas simple d’interpréter (la diffusion par l’atmosphère) • L’œil de l’observateur est souvent nécessaire à l’interprétation scientifique des phénomènes, alors que son intervention est inconsciente en général (accommodation) • Le langage porte trace de conceptions préscientifiques des phénomènes lumineux (ses yeux brillent, la lumière emplit la pièce)

4. Les obstacles inhérents à l’optique (2 : aspects liés à l’instruction) • Un certain nombre de conceptions en optique s’appuient aisément sur un raisonnement commun en cause-effet • La compréhension de l’optique nécessite souvent un point de vue interdisciplinaire • La symbolisation graphique des lois de l’optique donne souvent naissance à des interprétations non contrôlées de la part des apprenants

5. La nature des énoncés qui vont suivre facettes : des unités cognitives appliquées par l’apprenant dans certaines situations schème

6. Although we do not know to what extent schemes truly express learner’s cognitive arrangements, we can use them as if they do, to adequately represent students’ knowledge, to account for the learning process and to plan effective teaching (Galili & Hazan, 2000:61)

7. La lumière issue d’un objet Le point de vue de la physique : • un objet lumineux peut être décomposé en points-sources • de chaque point-source part un faisceau de rayons dans toutes les directions de l’espace

8. La lumière issue d’un objet. Conceptions (1) • Le bain de lumière : • Nous vivons dans un « bain de lumière », d’origine indistincte, dont la propagation s’apparente plus à celle d’un fluide qu’à la propagation rectiligne • Vision de la lumière : • On peut voir de la lumière de n'importe où, y compris sur le côté par rapport à sa direction de propagation

9. La lumière issue d’un objet. Conceptions (2) • Un objet lumineux produit des rayons parallèles qui voyagent à travers l'espace • La direction horizontale est privilégiée • La lumière émise par un objet est une globalité

10. La formation de l’image Le point de vue de la physique : • Sous certaines conditions, tous les rayons issus d’un point-source se rejoignent à la sortie du système optique, en un point qu’on appelle le point-image • L’ensemble des points-images constitue l’image de l’objet initial

11. La formation de l’image. Conception de l’image voyageuse • La lumière-émise-par-un-objet transporte « l’image » de cet objet : • l ’image est observable de façon délocalisée. • Cette « image » est une entité quasiment matérielle : • elle peut agir avec des objets matériels.

12. Conception de l’image voyageuse. Conséquences (1) • L'image d'un objet à travers un système optique dépend essentiellement de l'objet, et très peu du système optique • On peut voir une image sur un écran même si on enlève la lentille • Le rôle de l'écran étant de permettre de voir l'image, il est impossible de voir une image sans surface pour la projeter

13. Conception de l’image voyageuse. Conséquences (2) • Un cache placé devant la lentille élimine une partie de l'image

14. Conception de l’image voyageuse. Conséquences (3) • Puisque l’image se déplace le long d’un faisceau de lumière, un écran d’observation peut faire apparaître une image où qu'il soit placé, la mise au point n'a pas lieu d'être • Les images se comportent comme des sources lumineuses isotropes pour l'espace situé après le système optique

15. Définitions de schèmes pour les phénomènes optiques(Galili & Hazan, 2000) • Le schème de la vision spontanée : la vision se produit spontanément comme résultat de la présence de l’œil • Huit facettes ; exemples : la lumière peut être vue de côté ; il faut que la lumière illumine l’objet pour qu’il soit vu par l’œil • Neuf schèmes au total

16. Orion Application à la compréhension des déclarations des élèves en classe • On demande aux élèves de prévoir dans quelles conditions on peut réaliser une photographie acceptable de la constellation d’Orion.

17. On leur distribue un matériel (lanterne, lentille) avec lequel modéliser la prise de vue de la constellation. Où doit-on placer l’écran (qui représente la pellicule photo) pour obtenir une photographie acceptable ?

19. Références pour aller plus loin • Galili I. (1996). Students' conceptual change in geometrical optics. International Journal of Science Education, vol. 18 n° 7, pp. 847-868. • Galili I., Hazan A. (2000). Learner’s knowledge in optics : interpretation, structure and analysis. International Journal of Science Education, vol. 22 n° 1, pp. 57-88.