Conceptions en optique géométrique Christian Buty 30 novembre 2006 B3C.

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

2 Plan de lexposé Loptique élémentaire, une conceptualisation pleine dobstacles La lumière issue dun objet La formation de limage dun objet à travers un système Application à une situation de classe

3 Les obstacles inhérents à loptique (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…) Lobservation des phénomènes dans les milieux communs (air, eau) introduit des phénomènes parasites quil nest pas simple dinterpréter (la diffusion par latmosphère) Lœil de lobservateur est souvent nécessaire à linterprétation 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 loptique (2 : aspects liés à linstruction) Un certain nombre de conceptions en optique sappuient aisément sur un raisonnement commun en cause-effet La compréhension de loptique nécessite souvent un point de vue interdisciplinaire La symbolisation graphique des lois de loptique 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 lapprenant dans certaines situations schème

6 Although we do not know to what extent schemes truly express learners 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 dun 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 lespace

8 La lumière issue dun objet. Conceptions (1) Le bain de lumière : –Nous vivons dans un « bain de lumière », dorigine indistincte, dont la propagation sapparente plus à celle dun fluide quà 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 dun 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 limage Le point de vue de la physique : Sous certaines conditions, tous les rayons issus dun point-source se rejoignent à la sortie du système optique, en un point quon appelle le point-image Lensemble des points-images constitue limage de lobjet initial

11 La formation de limage. Conception de limage voyageuse La lumière-émise-par- un-objet transporte « limage » 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 limage 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 limage voyageuse. Conséquences (2) Un cache placé devant la lentille élimine une partie de l'image

14 Conception de limage voyageuse. Conséquences (3) Puisque limage se déplace le long dun faisceau de lumière, un écran dobservation 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 lœil –Huit facettes ; exemples : la lumière peut être vue de côté ; il faut que la lumière illumine lobjet pour quil soit vu par lœil Neuf schèmes au total

16 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 dOrion. Orion

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

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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). Learners knowledge in optics : interpretation, structure and analysis. International Journal of Science Education, vol. 22 n° 1, pp. 57-88.