Comment construire l’image d’un objet par une lentille convergente dans deux situations où on ne peut pas tracer au moins 2 des 3 rayons particuliers ? GRF -Académie de Strasbourg 2008/09  

Introduction Les élèves sont confrontés très rapidement aux règles de construction des images données par une lentille convergente. Ces règles sont souvent appliquées aux situations traditionnelles où l’objet est plus petit que la lentille. La séquence (45 minutes) permet de placer les élèves dans des conditions où leurs conceptions erronées apparaissent. Pour certains d’entre eux, on ne peut pas forcement construire une image si on ne peut pas tracer les 3 rayons particuliers ; dans le cas d’un objet plus grand que la lentille ou dans le cas d’une lentille partiellement occultée en son centre. Ils sont amenés, par un questionnement et des vérifications expérimentales, à corriger leur fausse conception. On peut se limiter à une seule partie.

83 élèves ( TS, TS spé, 1ère L et seconde) des lycées Bartholdi de Colmar, Schuré de Barr et Maurois de Bischwiller ont participé à cette séance

Conception(s) erronée(s) des élèves à dépasser (éventuellement) Pré requis des élèves Modèle du rayon lumineux ; association point-objet/point-image ; connaître les lentilles convergentes ; connaître la marche des rayons particuliers. Objectif de la séance Construire l'image d'un objet plus grand que la lentille ; construire l'image d'un objet à travers une lentille partiellement occultée. Conception(s) erronée(s) des élèves à dépasser (éventuellement) Certains élèves pensent qu'on ne peut pas obtenir l'image complète d'un objet si on ne peut pas tracer les 3 rayons particuliers.

I Objet plus grand que la lentille 1) Question : quelle image obtient-on sur un écran d’une bouteille colorée fixée sur un mur (ou une vitre) à travers une lentille convergente, plus petite que lui ? Réponses proposées : a) Rien b) Seulement une partie de la bouteille c) L'image entière de la bouteille d) Je ne sais pas e) Autre

Résultats Réponse Nombre d’élèves Pourcentage a) Rien 3 3,6% b) Seulement une partie de la bouteille 26 31,3% c) L’image entière de la bouteille 46 55,5% d) Je ne sais pas 7 8,4 % e) Autre 1 1,2 %

I Objet plus grand que la lentille

Des élèves ont trouvé la bonne réponse en faisant comme si la lentille était plus grande (mais sans la dessiner plus grande). Des élèves ont tracé le rayon passant par le centre optique pour trouver l’image B’ sur l’écran. 2 élèves ont prolongé la lentille en pointillés afin de tracer les rayons passant par les foyers de la lentille, en expliquant qu’ils n’avaient pas modifié les dimensions de la lentille, mais l’avaient simplement prolongée, utilisant ainsi une méthode similaire à celle permettant de tracer l’image d’un point-objet par un miroir plan. Comment tracer pour obtenir B’ si la position de l’écran n’est pas donnée : certains élèves n’y arrivent pas. Certains élèves proposent de déterminer d’abord la position de C’, puis de tracer le rayon issu de B et passant par le centre optique ; sachant que l’objet AB est perpendiculaire à l’axe optique, il en est de même pour A’B’: B’ sera donc le point d’intersection du rayon issu de B et du segment perpendiculaire à l’axe optique passant par C’.

I Objet plus grand que la lentille 3) Discussion : mise en évidence des conceptions erronées des élèves (utilisation de transparents ou vidéo projecteur avec tableau blanc...) et correction de chacune de ces conceptions. Schémas d’élèves  

I Objet plus grand que la lentille 4) Réalisation de l'expérience pour vérification.   5) Application avec une visualisation d'un élément extérieur du paysage (ex. bâtiments extérieurs, clocher…).

II Observation avec une lentille partiellement occultée

II Observation avec une lentille partiellement occultée 1) Question : qu’observe-t-on, sur un écran, si on place un cache (gommette autocollante ou autre) au centre de la lentille, pour un objet plus petit que la lentille ? Réponse à la question a) il n’y a pas d’image b) l’image n’est pas entière c) l’image est entière d) autre e) je ne sais pas Lentille convergente F’ F Ecran B A C

b) l’image n’est pas entière Résultats Réponse Nombre d’élèves Pourcentage a) il n’y a pas d’image 9 10,8% b) l’image n’est pas entière 51 61,5% c) l’image est entière 22 26,5% d) autre 0 % e) je ne sais pas 1 1,2%

II Observation avec une lentille partiellement occultée 2) Dans un deuxième temps, on propose aux élèves une autre question avec des propositions plus précises :   Si l’image n’est pas entière : a) il manque le centre de l’image b) il manque les bords de l’image Si l’image est entière : c) l’image est nette et lumineuse d) l’image est nette et peu lumineuse e) l’image est floue et déformée Remarque à destination du professeur : ne pas donner ce questionnaire sur le même document sinon les élèves seraient influencés pour la réponse du 1).

Résultats Réponse Nombre d’élèves Pourcentage 35 48,6% 16 22,2% 2 2,8% a) il manque le centre de l’image 35 48,6% b) il manque les bords de l’image 16 22,2% c) l’image est nette et lumineuse 2 2,8% d) l’image est nette et peu lumineuse 11 15,3% e) l’image est floue et déformée 8 11 ,1%

6 élèves n’ont pas répondu 1 élève a proposé une autre réponse que celles proposées (l’image est floue et déformée pour le cas « l’image n’est pas entière ».) 2 ont répondu (« il n’y a pas d’image »).

II Observation avec une lentille partiellement occultée 3) Question : demander aux élèves de tracer deux rayons pour un point quelconque C de l'objet sur le schéma ci-dessous. Lentille convergente F’ F Ecran B A C A’ C’ B’

II Observation avec une lentille partiellement occultée Schémas d’ élèves

II Observation avec une lentille partiellement occultée 4) Réalisation de l’expérience pour vérification.   5) Corrigé du schéma si nécessaire. 6) Test : l’élève a-t-il corrigé ses conceptions erronées ?  On cherche l’image nette de l’objet sur l’écran, puis on occulte une moitié de la lentille. Qu’observe-t-on sur l’écran ? Réponse à la question : a) pas d’image b) la moitié de l’image c) l’image entière d) autre réponse

Résultats 0 % 10,9% 86,7% 0% 2,4% Réponse Nombre d’élèves Pourcentage a. Pas d’image 0 % b. La moitié de l’image 9 10,9% c. L’image entière 72 86,7% d. Autre réponse 0% e. Je ne sais pas 2 2,4%

 Faire l’expérience pour vérifier.