Plongez un crayon bien droit en biais dans un verre d'eau transparente et regardez depuis le dessus et le côté : la partie immergée semble décalée au niveau de la surface. Sortez-le : le crayon est toujours droit. Déplacez ensuite l'œil à un autre endroit, et l'allure du décalage change aussi.
Par où commencer l'explication ? On peut d'abord choisir un point de la mine sous l'eau et se demander comment la lumière qu'il réfléchit doit cheminer pour atteindre l'œil. Le contenu d'optique de la physique de 8e année consiste précisément à transformer, pas à pas, ce type d'observation quotidienne en tracés de rayons vérifiables.
Retrouver la lumière à rebours depuis la position de l'œil
La leçon 4 traite d'abord des sources de lumière, des ombres et de la réflexion, puis introduit l'image donnée par un miroir plan. Quand on regarde son reflet dans un miroir, ce qui entre dans l'œil est la lumière réfléchie par la surface du miroir. En prolongeant la direction de la lumière réfléchie derrière le miroir, on peut trouver sur le schéma la position de l'image. En marquant l'objet et l'image, on voit que les deux sont symétriques par rapport au plan du miroir. Leçon 4 « Phénomènes lumineux, réflexion et réfraction »
Pour ce type d'exercice, on peut d'abord marquer la position de l'œil sur le schéma, puis tracer quel rayon peut atteindre ce point en passant par le miroir. Même si l'on ne sait pas encore calculer l'angle, le schéma permet de vérifier qu'on n'a pas dessiné le sens de propagation de la lumière à l'envers.
À la surface de l'eau, la direction de la lumière change
La lumière réfléchie par la mine sous l'eau subit une réfraction lorsqu'elle quitte l'eau en biais pour entrer dans l'air. L'œil reçoit cette lumière réfractée ; en la remontant à rebours le long de sa direction d'arrivée, la position de la mine qu'il perçoit diffère de sa position réelle sous l'eau. La leçon 4 utilise un tracé de rayons similaire pour expliquer pourquoi, vue depuis au-dessus de la surface, le fond d'un bassin d'eau claire paraît moins profond.
Pour mieux observer, on peut poser le verre et le crayon bien stables, maintenir le niveau d'eau, puis observer sous deux angles différents et dessiner la position apparente de la mine dans chaque cas. Ensuite, on réalise un croquis simplifié en ne gardant que la mine, la surface de l'eau et l'œil. Arrivé à la surface, on trace d'abord une normale perpendiculaire à l'interface, puis on vérifie si l'angle de réfraction est plus grand que l'angle d'incidence lorsque le rayon quitte l'eau en biais pour entrer dans l'air.
Transposer la réfraction sur un verre à surface courbe
La leçon 5 prolonge cette démarche avec les lentilles. Une lentille convexe est épaisse au centre et mince sur les bords : les rayons parallèles à l'axe optique principal convergent après réfraction. Le cours part de la forme de la lentille, présente l'axe optique principal, le foyer et la distance focale, puis aboutit aux instruments d'optique qui associent plusieurs lentilles pour modifier ce que l'on observe. Après avoir dessiné une première déviation à la surface de l'eau, on peut suivre le trajet de la lumière avant et après la lentille et comprendre ainsi, segment par segment, d'où vient le foyer. Leçon 5 « Rôle des lentilles et exploration de l'Univers »
Après l'observation, ajouter un schéma qui explique le phénomène
Ce cours en chinois simplifié s'adresse aux élèves de 8e année et couvre aussi le mouvement mécanique, les phénomènes sonores, les changements d'état de la matière et la masse, entre autres thèmes. Lorsqu'on étudie la physique à partir d'une question de la vie quotidienne, on peut d'abord noter ce que l'on voit, puis changer une condition d'observation, et enfin expliquer la variation par un schéma ou une mesure. Le tout premier schéma d'exercice de la partie optique peut justement être ce crayon dans le verre. Essayez de montrer à votre voisin de table où la lumière change de direction, et où l'œil perçoit finalement la mine. Accéder au cours PHYS801A-PEP-CN