Chemins de lumière

Objectifs d’apprentissage

Les élèves :

• Découvriront les propriétés de la lumière et comment elle se comporte.
• Identifieront et étiquetteront la lumière visible et invisible dans le spectre électromagnétique.

Introduction

Commencez par discuter de quelques concepts en lien avec la lumière.

1. Demandez aux élèves s’ils peuvent expliquer ce qu’est la lumière. Comment se comporte-t-elle? Comment réagit-elle lorsqu’elle rencontre un objet?
2. Discutez des différences entre les objets qui émettent de la lumière et les objets qui reflètent la lumière.
3. Demandez aux élèves s’ils ont déjà eu un coup de soleil. Comment cela se produit-il? Quels sont les avantages associés à l’utilisation d’un écran solaire?
4. Demandez aux élèves s’ils ont déjà vu un arc-en-ciel. Comment les arcs-en-ciel sont-ils créés? Quelle est leur relation avec la météo?

Préparation

• Imprimez la Trousse d’activités : Chemins de lumière et distribuez-la aux élèves.

Avant de commencer

Avant l’activité, entamez une discussion avec vos élèves, explorant le concept de la lumière. Demandez-leur de décrire la lumière (p. ex., sources de lumière, utilisations de la lumière dans nos vies, importance de la lumière solaire, etc.). Si vous avez déjà couvert le spectre électromagnétique en classe, n’hésitez pas à sauter ce sujet.

Il serait peut-être bon également d’expliquer la nature de la lumière, c’est-à-dire qu’elle est composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, lesquels produisent ensemble une onde électromagnétique. Une démonstration pourrait aider les élèves à comprendre ce concept. Par exemple, une représentation 3D peut être utilisée pour présenter les deux types de champs qui se rejoignent pour créer une onde.

À l’aide de la Trousse d’activités : Chemins de lumière, les élèves exploreront différentes ondes et la terminologie utilisée pour décrire ces ondes (fréquence, crête, longueur d’onde, etc.). On peut s’en servir pour expliquer les propriétés des ondes, et ce qui se produit lorsqu’une onde diffère d’une autre.

Partie 1 : Et la lumière fut

Instructions

1. Divisez les élèves en groupes de trois ou quatre et fournissez le matériel requis à chaque groupe ainsi qu’une copie imprimée de la Trousse d’activités : Chemins de lumière.
2. Demandez aux élèves de suivre et de remplir la feuille de travail de l’activité 1, partie 1 « Et la lumière fut ». Ils devront expliquer comment la lumière se déplace. Se déplace-t-elle en ligne droite? (Oui, la lumière se déplace en ligne droite.) Peut-elle passer à travers des objets? (Oui, la lumière peut passer à travers des objets transparents ou translucides.) Comment la lumière se comporte-t-elle lorsqu’elle est dirigée directement à travers un prisme, dans le sens de la longueur?
3. Demandez aux élèves de vérifier leurs hypothèses en dirigeant la lumière à travers un prisme, dans le sens de la longueur. La lumière brillera directement à travers et restera blanche. Qu’observent-ils et, selon eux, pourquoi cela se produit-il?
4. Ensuite, les élèves doivent expliquer ce qu’ils croient qu’il se produira lorsque la lumière est dirigée à travers un prisme, dans le sens de la largeur.
5. Les élèves doivent vérifier leurs hypothèses en dirigeant la lumière à travers le prisme, dans le sens de la largeur. La lumière émergera du prisme sous forme d’un mince demi-cercle ressemblant à un arc-en-ciel. Si la lumière est trop mince pour qu’ils puissent voir les détails, ils peuvent utiliser une loupe pour l’observer plus clairement.
   • Remarque : Les résultats peuvent varier selon le type de lumière utilisée. Elle doit être suffisamment concentrée pour produire une lumière ressemblant à un arc-en-ciel de l’autre côté du prisme. Faites l’essai de différentes sources de lumière avant l’activité afin de déterminer laquelle fonctionne le mieux. La fonction de lampe de poche d’un téléphone fonctionne bien.
6. Qu’ont-ils observé et pourquoi? Demandez aux élèves de noter l’ordre des couleurs qu’ils ont vues.
   • Il s’agit d’un bon moment pour présenter le concept de réflexion et de réfraction de la lumière. La dispersion de la lumière dans un prisme est ce qui crée l’effet d’arc-en-ciel. Vous pouvez ajouter de l’information sur la façon dont la lumière se comporte à travers différents médias.
7. Ensuite, que se produit-il lorsqu’on utilise un faisceau laser au lieu d’une lumière blanche? Comment un faisceau laser se déplace-t-il à travers un prisme? Quelle sera la différence ou la ressemblance avec la lumière blanche? Vos élèves peuvent mettre leurs hypothèses à l’essai avec le laser fourni. Les faisceaux laser sont produits par des ondes ayant une longueur et une fréquence égales. La lumière continuera de briller dans la même direction et ne se dispersera pas.
8. Les élèves peuvent maintenant déterminer comment la lumière se déplacerait à travers deux prismes placés de façon perpendiculaire l’un à l’autre.
9. Les élèves vérifient leurs hypothèses en plaçant les prismes de façon perpendiculaire l’un à l’autre, puis en dirigeant la lumière à travers le premier prisme, dans le sens de la largeur. La lumière arc-en-ciel change en traversant le deuxième prisme, créant une lumière blanche à l’autre bout.

Partie 2 : Au-delà de l’arc-en-ciel

1. Pour la deuxième partie de l’activité, les élèves tenteront de créer une lumière ressemblant à un arc-en-ciel avec leur groupe, à l’aide du matériel mis à leur disposition (par exemple : eau, lentilles, loupe et miroirs).
   Remarque : Il existe plus d’une solution à cette activité.
2. Lorsque les élèves ont trouvé une solution, demandez-leur de dessiner ce qu’ils ont fait sur une feuille de papier. Si un groupe termine avant les autres, demandez aux élèves d’essayer de trouver une autre solution.

Discussion

Demandez aux élèves d’expliquer comment ils ont créé une lumière semblable à un arc-en-ciel. Pourquoi une lumière semblable à un arc-en-ciel a-t-elle été créée? S’ils n’ont pas réussi à trouver une solution, demandez-leur pourquoi, selon eux.

Partie 3 : Étiqueter le spectre électromagnétique

1. Dans la dernière partie de cette activité, les élèves examinent et étiquettent les différents types d’ondes sur le spectre électromagnétique. Les élèves décrivent pourquoi on utilise un spectre électromagnétique et comment les différentes ondes sont classées.
2. Dans la Trousse d’activités : Chemins de lumière à la fin de ce document, on présente un spectre électromagnétique vide à la page 5. La page 6 contient des étiquettes à découper pour les différents types de lumière et les pages 7 et 8 ont a un tableau dans lequel on trouve des indices pour aider à déterminer les divers types de lumière (de la longueur d’onde la plus longue à la plus courte).
   Les élèves découpent les étiquettes à la page 6, puis, à l’aide des indices des pages 7 et 8, ils placent les étiquettes sur les ondes du spectre électromagnétique à la page 5.
3. À l’aide de l’indice dans la case « couleurs de la lumière visible », les élèves devraient pouvoir indiquer les couleurs de la lumière visible dans le bon ordre sur l’étiquette « lumière visible ».

Objectifs d’apprentissage

Les élèves :

• Réviseront ou acquerront les connaissances et la terminologie en lien avec les miroirs.
• Réfléchiront aux miroirs et les observeront pour tirer des conclusions sur leur interaction avec la lumière.
• Élaboreront des hypothèses à propos des différents types de miroirs et les mettront à l’épreuve, puis prédiront les images qu’ils peuvent créer.

Introduction

Commencez par discuter de quelques concepts en lien avec les miroirs.

1. Demandez aux élèves de parler de la lumière. Comment se comporte-t-elle? Comment réagit-elle lorsqu’elle rencontre un objet?
2. Demandez aux élèves de proposer des sources de lumière (p. ex., le soleil, une ampoule, une lampe de poche, etc.). Comment les diverses sources de lumière diffèrent-elles l’une de l’autre (p. ex., naturelle par rapport à artificielle)?
3. Discutez des miroirs. Comment diffèrent-ils l’un de l’autre? Par exemple : miroirs plats, miroirs convergents (convexes) et miroirs divergents (concaves) Comment fonctionnent-ils?
4. Demandez aux élèves où nous pouvons trouver des miroirs et quels sont leurs usages (p. ex., les rétroviseurs sont utilisés pour observer les voitures derrière nous).

Préparation

• Imprimez la Trousse d’activités : Chemins de lumière et distribuez-la aux élèves.

Partie 1 : Explorer différents types de miroirs

Instructions

1. Divisez les élèves en groupes de trois ou quatre. Demandez-leur d’étiqueter les images aux pages 9 et 10 de la Trousse d’activités  : Chemins de lumière. Cela leur permet de réviser la terminologie qu’ils ont acquise sur les miroirs. Demandez-leur d’expliquer leurs étiquettes sur les images. Comment les miroirs plats diffèrent-ils des miroirs courbés? Comment les miroirs convergents et divergents diffèrent-ils les uns des autres?
2. Lorsque les images sont étiquetées, demandez aux élèves de remplir le tableau 1 à la page 11 dans la Trousse d’activités  : Chemins de lumière. Les élèves doivent dessiner une image de l’objet (par exemple, petite figurine ou crayon) pour illustrer comment ils croient qu’il sera reflété dans les différents miroirs. Les élèves travaillent en groupe pour élaborer des hypothèses sur la façon dont les objets seront reflétés dans les miroirs.

Important : Les élèves doivent prédire l’emplacement, la distance relative, l’orientation et la taille de l’objet dans les différents miroirs. À cette étape, les élèves n’utilisent pas de matériel pour tirer ces conclusions.

Discussion

• Demandez aux élèves de décrire les images qu’ils ont dessinées. Selon vous, comment l’image dans un miroir plat se compare-t-elle à celle dans un miroir convergent? À celle dans un miroir divergent? Comment l’image dans un miroir convergent se compare-t-elle à celle dans un miroir divergent?
• À cette étape de l’activité, les élèves mettent leurs hypothèses à l’épreuve en recueillant de l’information à l’aide de divers éléments de matériel mis à leur disposition. Ils placent les objets devant les miroirs et dessinent ce qu’ils voient.
• Comment leurs résultats différaient-ils de leurs hypothèses? Demandez-leur pourquoi ils pensaient obtenir leur image hypothétique au lieu de l’image finale. Discutez de la raison pour laquelle vous utiliseriez un miroir plat plutôt qu’un miroir courbé au quotidien et vice-versa.

Partie 2 : Mon petit œil…

Remarque : Cette activité peut être réalisée de deux façons, en fonction du matériel disponible. Pour la première méthode, un groupe d’élèves s’assoit devant un long et large miroir. Pour la deuxième méthode, on place des cubes de couleurs ou différentes sortes de dés devant un petit miroir.

Version 1 : Voir des gens dans un long miroir

Formez des groupes de quatre à six élèves. Chaque élève doit avoir la Trousse d’activités : Chemins de lumière à sa disposition.

Discussion

• Demandez aux élèves s’ils ont déjà été dans une situation où ils se trouvent devant un miroir en public et se demandent si une autre personne peut les voir. Pourquoi l’autre personne pourrait-elle ne pas les voir? Comment pourraient-ils s’assurer que l’autre personne ne les voit pas et qu’eux le peuvent?

Instructions

1. Cette activité se sert de ce concept pour étudier les miroirs. Le but vise à demander aux élèves d’identifier qui ils peuvent voir dans le miroir, selon leur position par rapport au miroir. Pour commencer, placez un grand miroir contre un mur, allouant suffisamment d’espace pour que six élèves puissent s’asseoir devant.
2. Demandez aux élèves de mesurer la longueur du miroir et de placer un petit morceau de ruban adhésif au centre. Les élèves doivent également placer un morceau de ruban adhésif sur le plancher pour indiquer le centre du miroir dans le sens de la largeur. Il s’agit de la « ligne normale ».
3. Les élèves s’assoient ensuite à différentes positions devant le miroir, à différentes distances et à différents angles. Les élèves doivent se positionner de façon à voir le centre du miroir.
4. Demandez aux élèves de dessiner l’emplacement de chaque élève devant le miroir à l’aide de la Trousse d’activités  : Chemins de lumière à la page 12. Dans le tableau 2, chaque élève note qui il peut voir à partir de son emplacement. Ils auront la chance de recueillir le reste de l’information plus tard pendant l’activité.
5. Lorsque les élèves ont terminé leurs observations, demandez-leur d’utiliser du ruban adhésif pour faire une ligne à partir de leur emplacement devant le miroir jusqu’à la ligne normale du miroir. Les élèves suivent le ruban adhésif et utilisent le mètre pour mesurer la distance depuis leur place assise jusqu’à la ligne normale. Ils notent la distance dans le tableau 3 à la page 13 de la Trousse d’activités  : Chemins de lumière.
6. Ensuite, les élèves doivent mesurer leur angle du miroir à la ligne normale à l’aide du rapporteur d’angle et de la ligne qu’ils ont créée avec le ruban adhésif. Cette information doit également être notée dans le tableau 3.
7. Les élèves peuvent maintenant partager cette information avec leurs coéquipiers pour inscrire les données appropriées dans le tableau 2 et le tableau 3.
8. Finalement, les élèves dessinent un diagramme à l’échelle à la page 13 à l’aide des données qu’ils ont recueillies. Ils doivent inclure un diagramme de rayons relatif à leur emplacement pour montrer qui ils pouvaient voir dans le miroir et pourquoi c’était le cas selon eux.

Discussion

• Demandez aux élèves pourquoi ils devaient mesurer la longueur du miroir. Quelle était l’importance de l’angle de leur emplacement par rapport à la ligne normale? Pourquoi voyaient-ils certaines personnes et pas d’autres? Demandez-leur d’utiliser leur diagramme de rayons pour les aider à répondre à ces questions.

Remarque : Les élèves ne devraient voir que les élèves assis entre le rayon incident et le rayon réfléchi. Tout ce qui se trouve en dehors de cette zone ne serait pas visible par les élèves depuis leur angle particulier à partir du centre du miroir.

Version 2 : Voir des cubes dans un petit miroir

Si votre miroir n’est pas suffisamment grand pour la version 1 de cette activité, l’expérience peut être réalisée à l’aide d’un petit miroir et de cubes colorés ou de dés colorés.

Les élèves doivent former des groupes de trois ou quatre. Chaque élève doit avoir la Trousse d’activités : Chemins de lumière à sa disposition.

Discussion

• Demandez aux élèves s’ils ont déjà été devant un miroir en public et se sont demandé si une autre personne pouvait les voir. Pourquoi l’autre personne pourrait-elle ne pas les voir? Comment peuvent-ils s’assurer que l’autre personne ne peut les voir, mais qu’eux le peuvent?

Instructions

1. Cette activité se sert de ce concept pour étudier les miroirs. Le but de l’activité est de demander aux élèves d’identifier qui ils peuvent voir dans le miroir, à partir de leur propre position par rapport au miroir. Les élèves commencent par placer un miroir sur une feuille de papier vierge. Ils doivent utiliser un peu de ruban adhésif à l’arrière du miroir pour s’assurer qu’il ne bouge pas sur la feuille.
2. Demandez aux élèves de mesurer la longueur du miroir et marquer le centre d’un petit crochet. Les élèves doivent également dessiner une ligne droite au centre du miroir, dans le sens de la largeur. Il s’agit de la « ligne normale ».
3. Les élèves placent ensuite les six cubes ou dés à différents endroits devant le miroir, à différentes distances et à différents angles.
4. Demandez aux élèves de dessiner les emplacements des cubes ou des dés devant le miroir, à l’aide de la Trousse d’activités : Chemins de lumière aux pages 14. Demandez aux élèves de sélectionner un cube ou un dé pour lequel ils seront responsables.
5. Demandez aux élèves d’imaginer que leur cube ou leur dé peut se « voir » lui-même. Demandez-leur d’indiquer dans le tableau 4 les autres cubes ou dés que leur cube ou dé pourrait « voir » reflétés dans le miroir. Les élèves peuvent se placer à la « hauteur des yeux » de leur cube ou de leur dé et déterminer ce qui est visible à partir de cet angle.
6. Lorsque les élèves ont terminé leurs observations, demandez-leur de tracer une ligne à partir de l’emplacement de leur cube ou de leur dé jusqu’à la ligne normale du miroir. Les élèves utilisent une règle pour suivre la ligne et mesurer la distance à partir de la position du cube ou du dé jusqu’à la ligne normale, et notent la distance à partir du miroir dans le tableau 5 (page 15) de la Trousse d’activités  : Chemins de lumière.
7. Ensuite, chaque élève devra mesurer l’angle de son cube ou de son dé devant le miroir jusqu’à la ligne normale à l’aide du rapporteur d’angle et de la ligne qu’il a tracée. Cette information doit également être notée dans le tableau 5.
8. Finalement, demandez aux élèves de dessiner un diagramme à l’échelle à la page 15 à l’aide des données qu’ils ont recueillies. Ils doivent inclure un diagramme de rayons relatif à l’emplacement de leur cube ou de leur dé sur le diagramme afin de montrer les autres cubes ou dés qu’ils pouvaient voir dans le miroir et pourquoi c’était le cas selon eux.

Discussion

• Demandez aux élèves pourquoi ils devaient mesurer la longueur du miroir. Pourquoi était-ce important de mesurer l’angle de l’emplacement de leur cube ou de leur dé par rapport à la ligne normale du miroir? Pourquoi voyaient-ils certains cubes ou dés et pas d’autres? Demandez-leur d’utiliser leur diagramme de rayons pour les aider à répondre à ces questions.

Objectifs d’apprentissage

Les élèves :

• Réviseront ou acquerront les connaissances et la terminologie en lien avec les lentilles.
• Réfléchiront aux lentilles et les observeront pour tirer des conclusions sur leur interaction avec la lumière.
• Élaboreront des hypothèses à propos des différents types de lentilles et les mettront à l’épreuve, puis prédiront les images qu’elles peuvent créer.

Introduction

Commencez par discuter de quelques concepts en lien avec les lentilles.

1. Demandez aux élèves de partager ce qu’ils savent sur la lumière. Comment se comporte-t-elle? Comment réagit-elle lorsqu’elle rencontre un objet?
2. Demandez aux élèves de décrire une lentille. Où pouvons-nous trouver des lentilles, et comment et pourquoi les utilisons-nous?
3. Demandez aux élèves de réfléchir aux différentes lentilles qu’ils ont déjà croisées. Comment diffèrent-elles les unes des autres (p. ex., lentilles convergentes [convexes] et lentilles divergentes [concaves]). Quand utiliserions-nous un type de lentille plutôt qu’un autre?
4. Demandez aux élèves comment la lumière se déplace à travers une lentille? Comment les types de lentilles diffèrent-ils par rapport à leur interaction avec la lumière? Quels facteurs influencent le comportement d’une lentille?

Préparation

• Imprimez la Trousse d’activités : Chemins de lumière et distribuez-la aux élèves.

Partie 1 : Explorer les lentilles convergentes et divergentes

Demandez aux élèves de former des groupes de 3 ou 4. Chaque élève doit avoir la trousse d’activité à sa disposition.

Discussion

• Demandez aux élèves de décrire ce qu’est une lentille et pour quel usage on l’utilise. Comment diffère-t-elle d’un miroir (par exemple, sa façon d’interagir avec la lumière)?

Instructions

1. Il y a différents types de lentilles qui ont différents usages. Les élèves analysent les différentes lentilles. Demandez-leur d’apporter une lentille plate, une lentille convergente, une lentille divergente ainsi qu’une lampe de poche et un laser à leur poste de travail.
2. Les élèves commencent par remplir le tableau 6 des pages 16 du Trousse d’activités : Chemins de lumière. Ils décrivent tout d’abord l’apparence de chaque lentille et font un croquis dans la colonne « À quoi cela ressemble-t-il? » du tableau (sans utiliser de source lumineuse). Demandez aux élèves comment ils décriraient l’apparence de chaque lentille.
3. Ensuite, ils comparent les lentilles entre elles pour déterminer comment elles diffèrent et remplissent les cases sous « Comment diffèrent-elles? » dans le tableau. Demandez aux élèves de décrire comment ils croient que les lentilles diffèrent.
4. Lorsque les élèves ont bien évalué chaque lentille, ils remplissent le tableau 7 aux pages  17. Demandez-leur de formuler des hypothèses sur la façon dont la lumière interagit avec les lentilles. Comment la lumière passe-t-elle à travers chaque lentille? La lumière courbera-t-elle? Passera-t-elle directement à travers? Se dispersera-t-elle?
5. Demandez aux élèves de tester leurs hypothèses à l’aide d’une lampe de poche et d’un laser. Comment chaque type de lumière interagit-il avec les lentilles? Les différentes sources de lumière produisent-elles différents résultats? Si oui, comment?

Partie 2 : Instruments d’optique et lentilles

Instructions

1. Demandez aux élèves d’explorer l’utilisation de différentes lentilles dans des instruments d’optique (p. ex., caméras, télescopes, microscopes, etc.). Quels types de lentilles sont utilisées dans chaque instrument? Quels sont les usages de chaque instrument? Pourquoi utilisons-nous un type de lentille plutôt qu’un autre? Comment la lumière interagirait-elle si un différent type de lentille était utilisé? L’instrument d’optique aurait-il le même usage? L’instrument d’optique est-il doté de miroirs? Pourquoi un miroir serait-il utilisé au lieu d’une lentille?
2. Divisez les élèves en groupes de cinq ou six. Demandez-leur de partager leur recherche sur un instrument d’optique avec leurs coéquipiers.
3. En équipe, les élèves inscrivent l’information dans le tableau 8 à la page 18 de la Trousse d’activités : Chemins de lumière. Ils classent les différents instruments d’optique en fonction des lentilles qu’ils contiennent.
4. Demandez aux élèves d’établir une relation entre les instruments et les types de lentilles. Ont-ils des usages semblables? Si vous souhaitiez modifier l’utilisation de l’instrument, que pourriez-vous faire différemment?

Objectifs d’apprentissage

Les élèves :

• Réviseront les lentilles et les miroirs qu’ils ont déjà explorés pour faire des liens avec les connaissances acquises durant leur visite au Musée.
• Feront un croquis de la direction de la lumière dans l’instrument d’optique qu’ils ont choisi.

Instructions

1. Si vous avez fait la partie 2 de l’activité 3 avec vos élèves, ils auront déjà exploré différents instruments d’optique. Pour cette activité, ils doivent explorer le même instrument qu’avant. Si vous n’avez pas fait l’activité avec les élèves, nous recommandons de commencer par cette étape.
2. Les élèves explorent l’utilisation de lentilles et de miroirs dans différents instruments d’optique. Ils doivent utiliser les lentilles et les miroirs à leur disposition pour tester comment la lumière se déplace dans leur instrument.
3. Demandez aux élèves de faire un croquis de la lumière dans leur instrument à l’aide du matériel mis à leur disposition. Les élèves devront peut-être faire des recherches sur leur instrument d’optique pour obtenir davantage d’information sur ce qui se trouve à l’intérieur.

Discussion

• Comment la lumière fonctionne-t-elle dans votre instrument d’optique? Quels types de lentilles ou de miroirs contient-il? Que se produirait-il si vous utilisiez une différente sorte de lentille ou de miroir? Pourquoi utilise-t-on une lentille au lieu d’un miroir et vice-versa?