Le théâtre d’ombres

Résumé : Cette séance introductive permet aux élèves de se familiariser avec le matériel (source lumineuse, écran) pour obtenir des ombres et les concepts et le vocabulaire afférent (ombre, source de lumière, écran, opaque, translucide).

Objectifs : Former des ombres, mettre en évidence la propagation rectiligne de la lumière Distinguer les propriétés optiques des objets Repérer les facteurs qui interviennent dans la formation d'une ombre Élaborer un protocole expérimental Transcription écrite d'un plan par les enfants Rédaction d'une notice de fabrication.

Matériel :  
Pour chaque groupe de 2 élèves :
Petite boîte (à fabriquer au préalable, voir document ci-dessous) ;
1 pile 4,5 V plate ;
écran (feuille blanche collée sur un carton) ;
1 objet (gomme).

Déroulement

La classe est invitée à fabriquer des ombres après avoir observé les ombres formées dans la cour de récréation un jour de grand soleil.

Les élèves proposent de mettre la main (ou un objet) devant une source lumineuse, l'ombre sera formée sur une feuille blanche servant d'écran. Il faut d’abord fabriquer une « boîte à lumière », (voir fig 1) ; une notice de montage pour cette boîte à lumière sera ensuite rédigée à destination d’autres classes qui participent au projet (voir fig. 2 )
Les expériences entreprises ensuite mettent en oeuvre une source lumineuse (leur boîte à lumière) et un écran (feuille blanche) entre lesquels ils intercalent différents objets. Ils doivent rendre compte de ces expériences dans leur cahier (voir fig 3)

Fig. 1 : Plan de montage d’une petite boîte à lumière

La boîte à lumière

Fig 2 : rédaction d’une notice de montage (Extrait de cahier d'expériences)

fig 3 : extrait du cahier d’expériences (partie individuelle et partie collective)

Résumé : Repérer et faire varier sélectivement les facteurs qui déterminent la taille et la forme de l'ombre d'un objet

Objectifs : Repérer la relation entre la position de l'objet par rapport à la source et la taille de l'ombre Repérer les relations entre taille de l'ombre, taille de l'objet, distances source-objet et objet-écran Utiliser une procédure pour le tracé d'une ombre Construire un tableau ; lire un tableau

Matériel :  

Pour chaque groupe de 2 élèves :
Petite boîte (à fabriquer au préalable, voir document ci-dessus) ;
une pile 4,5 V plate ;
un écran (feuille blanche collée sur un carton) ;
différents objets (parallélépipèdes ou cylindres).
un carton de 2x2 cm monté sur un cure-dent piqué dans une rondelle de liège
Feuille mesure (feuille de papier quadrillé 5x5 cm)
Ficelle ou laine

Questions posées à la classe : Comment faire varier la forme de l’ombre d’un objet ? Comment faire varier les dimensions d'une ombre ?

Exemples d'hypothèses faites par les élèves

• Déplacer l'objet (en le tournant sur lui-même ou en modifiant sa distance à la source de lumière)
• Déplacer la source lumineuse ;
• Déplacer l'écran (difficile si c’est un mur).

Les enfants, par groupes de deux, proposent par écrit leur procédé expérimental, réalisent un schéma, déterminent le matériel nécessaire et écrivent ce qu'ils pensent obtenir comme résultats de leur action.

Comment changer la forme ? comment ne pas changer la forme ? comment changer la taille sans changer la forme ?
Les observations sont mises en commun en classe entière . une conclusion est explicitée qu’il faudra réinvestir dans la suite de la séance.
Après cette phase de familiarisation, et le repérage de ce qui fait changer la forme et de ce qui fait changer la taille de l’ombre, on impose la position de la source lumineuse et de l'écran. Les enfants, par groupes de deux, modifient la distance entre la source lumineuse et l'objet en faisant attention à ne pas modifier la forme (c’est-à-dire sans changer l’orientation du carton par rapport à l’écran) et notent individuellement dans un tableau les distances source lumineuse/objet et la taille de l'ombre correspondante. Pour mettre en commun les résultats, on pourra faire utiliser le même objet par tous les élèves : un carton de 2x2 cm monté sur un cure-dent piqué dans une rondelle de liège.

Montage expérimental

Les enfants essaient de formuler leurs observations, de les comparer. Puis de les réinvestir dans une prévision : où mettre l’objet pour que l’ombre ait telle taille. La prévision sera ensuite testée par groupes de deux.
On pourra faire utiliser de la ficelle ou de la laine pour repérer les alignements qui donnent les contours d e l’ombre (réinvestissement de la séance 1). On fera formaliser cette procédure en indiquant que « la lumière se déplace en ligne droite »

Résumé : En se servant des notions qu'ils ont travaillées précédemment, les élèves construisent une maquette d'un théâtre d'ombres chinoises. Il s'agit là d'une réalisation technologique.

Objectifs : Il s'agit d'utiliser le matériel mis à disposition pour arriver à l'effet attendu.La démarche technologique- non détaillée ici- relève de la recherche de solutions techniques, mais le matériel est donné.

Matériel :  

Pour chaque groupe de 2 élèves :
Matériel utilisé précédemment
carton, liège, fil, bois, cadre, ardoise, feuille, calque

Un personnage possible :

Déroulement

Les enfants ont comme projet la réalisation d’un théâtre d'ombres, comportant au moins 2 ombres portées d'objets placés à des distances différentes de la source lumineuse.
Ils ont à leur disposition le matériel précédemment utilisé plus du carton, du liège, du fil, etc. L'écran est remplacé par une feuille calque tendue sur un cadre d’ardoise.
La scène est vue en ombre chinoise avec des personnages cartons se déplaçant dans un cadre décors

Croquis d’un théâtre d'ombres

Résumé : On propose aux élèves d'explorer le phénomène de réflexion dans un miroir et d'établir la relation entre l'angle d'incidence et l'angle de réflexion. Ils utilisent un outil pour mesurer les angles

Objectifs : Les rayons lumineux sont réfléchis par certaines surfaces. L'angle formé par le faisceau réfléchi et la normale (perpendiculaire) au miroir est égal à celui formé par le faisceau incident et la normale.

Matériel :  

Un petit miroir
Une boîte à fente (voir schéma)

Déroulement

Question à la classe : Comment modifier le trajet d'un rayon lumineux ? comment faire pour envoyer la lumière du Soleil au plafond ? est ce que je peux l’envoyer où je veux ? comment faire ?
Les élèves suggèrent l’utilisation de miroirs. Sinon les proposer et les laisser explorer le phénomène avant de leur faire étudier de façon plus organisée. 
Les enfants font les expériences, par groupes de deux, notent les remarques et résultats, correspondants individuellement. Puis ils font des schémas individuellement . le maître les incite à la précision sur la représentation du trajet de la lumière ; la question : Comment mesurer les déviations  du trajet de la lumière ? arrive pour préciser les schémas.

On proposera le dispositif suivant:.

La boîte à fente est réalisée avec une boîte pellicule photo, fendue à la scie en son centre

Montage expérimental : la boîte à fente est placée horizontalement sur une feuille blanche. Le rayon lumineux est visible sur la feuille

Rapporteurs

Avec ce dispositif, les élèves peuvent repérer que l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion ;

Le mot du maître

Ces notions d'angles sont difficiles. Faire colorier sur le rapporteur (qui doit être bien fixé) les angles extérieurs à l'angle déterminé par les rayons initiaux et réfléchis : ils sont identiques. Bien mettre en évidence la réflexion " angle droit" et la position du miroir pour une séance ultérieure sur le périscope.

Résumé : Comment concevoir et fabriquer un périscope ? Le périscope est présenté comme un moyen de voir par-dessus un obstacle. Les enfants construisent, évaluent et améliorent un périscope.

Objectifs : On demande aux élèves de se servir de ce qui a été exploré dans les séances précédentes : Utiliser les lois de réflexion de la lumière.

1ère phase : conception  par groupes de deux

• textes (utilisation du vocabulaire approprié)
• schémas légendés (vocabulaire technologique) ;
• utilisation argumentée des notions déjà vues
• Liste du matériel.

Les propositions sont présentées et discutées en classe entière. Les élèves annotent en fonction des remarques leurs textes et schémas précédents.

2ème phase : fabrication

Les enfants construisent leur périscope par groupes de deux

3ème phase : test de l'objet

Ils vérifient le " bon comportement" de leur périscope ; ils notent les faiblesses, les défauts, les erreurs de conception. 
Ils réactualisent leurs textes et schémas.
Ils présentent à la classe leur production et leurs schémas qui sont évalués séparément par la classe, via un testeur ou un jury qui doit définir des critères de qualité.

Le mot du maître

Certains élèves sont très (trop) imaginatifs, il faut les canaliser. D’autres sont "bloqués" dans ce domaine créatif bien qu'ils maîtrisent les phénomènes physiques nécessaires. On peut alors leur donner l'un des modèles réalisés par le maître à partir des plans de fabrication proposés dans le témoignage : Travailler sur la lumière, des objets qui contiennent des miroirs.

Résumé : Les enfants apprennent à élaborer un dispositif pour éclairer une surface circonscrite. Ils mettent en relation l'ouverture et distance source-écran avec la dimension de la tache lumineuse.

Objectifs : Utiliser l'idée de la propagation rectiligne de la lumière ; Passer d'un centrage sur l'ombre à un centrage sur la zone éclairée durée : 3 séances

Matériel :  

Pour chaque groupe de 2 élèves :
boîte à lumière (cf. séquence 1) ;
pile 4,5 V plate ;
boîte en carton (chaussure) pour l'écran ;
papier ;
perforatrice ;
élastique.

Question posée à la classe : Comment modifier la surface éclairée par un projecteur ?

Un dispositif est montré (voir figure) ; Selon les choix pédagogiques, il sera donné à utiliser à chaque groupe ou montré en vue de sa réalisation.

Exemples de propositions des élèves

• Si on met une ampoule plus faible, la lumière sera moins large ou éclairera "moins fort ;
• changer le projecteur ;
• changer la place du projecteur ;
• mettre un cache devant le projecteur.

Phase de prévision

Les enfants élaborent en groupes par écrit leur procédé expérimental pour tester leur proposition, en réalisant un schéma ; ils précisent le matériel nécessaire et écrivent ce qu'ils pensent obtenir comme résultat.

Phase expérimentale

Les enfants réalisent par groupes leur expérience, prennent note des résultats obtenus. Ils sont incités à des mesures et à les organiser en tableau pour les présenter à la classe.

Conclusion

Après débat sur les différentes propositions, une conclusion collective est élaborée.

Le mot du maître

Beaucoup d'intérêt pour cette séance. Des difficultés pour la prise des mesures, (faire faire par 2 élèves) le projecteur étant bien vertical.
Faire varier (hors mesures) l'inclinaison du projecteur et noter les effets obtenus.

L'expérience réalisée