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3e · Chapitre 8 · Des signaux pour observer et communiquer

Lumière et Univers

TP expérimental

Propagation rectiligne : ombres et sténopé

Problème : Comment la propagation rectiligne de la lumière permet-elle d'expliquer les ombres et de mesurer la taille d'un objet lointain ?

Durée : 55 min · Travail en binôme

🧰 Matériel (par binôme)

  • 1 lampe à filament court ou LED de petite taille (« source ponctuelle ») sur support
  • 1 objet opaque (carton découpé de 4 cm de haut) sur support
  • 1 écran blanc et 1 banc d'optique gradué (ou règle de 1 m)
  • 3 cartons percés d'un trou + supports, 1 pointeur laser de classe 2 (manipulé par le professeur)
  • 1 sténopé (boîte à chaussures percée d'un trou, fond en papier calque) + règle
  • 1 lampe-flèche lumineuse (objet lumineux de taille connue)

⚠️ Sécurité

  • Laser : ne jamais diriger le faisceau vers les yeux ; seul le professeur le manipule, à hauteur de table.
  • Ne jamais regarder le Soleil, ni directement ni à travers le sténopé.
  • Lampes : ne pas toucher l'ampoule chaude.

🧪 Protocole

  1. Partie A — Alignement. Aligne les trois cartons percés pour voir la lampe à travers. Déplace celui du milieu. Observe. Le professeur matérialise le faisceau laser avec un peu de poussière de craie.
  2. Partie B — Ombres. Place l'écran à 100 cm de la lampe. Mesure la hauteur de l'ombre de l'objet pour d = 20, 40, 60 et 80 cm (distance lampe–objet).
  3. Partie C — Sténopé. Vise la lampe-flèche (hauteur connue) placée à une distance D mesurée ; mesure la hauteur de l'image sur le calque et la profondeur L de la boîte.
  4. Calcule la hauteur de la flèche à partir de tes mesures et compare avec sa hauteur réelle.

Schéma du montage

objet petit trou papier calque L

📝 Résultats et exploitation

d (cm)20406080
hauteur de l'ombre (cm)
d × h (cm²)
D (cm)L (cm)hauteur de l'image (cm)hauteur calculée de la flèche (cm)hauteur réelle (cm)

1. Partie A : quelle propriété de la lumière l'expérience des trois cartons met-elle en évidence ?

2. Partie B : fais un schéma (vue de côté) avec les rayons limitant l'ombre. Comment varie la taille de l'ombre avec d ?

3. Que remarques-tu pour le produit d × h ? Interprète avec la géométrie (Thalès).

4. Partie C : pourquoi l'image dans le sténopé est-elle renversée ?

5. Calcule la hauteur de la flèche et compare à la valeur réelle. Propose une source d'erreur.