M1 EC1.4 ombre avec corrigé

UPEC/IUFM Créteil
M1 EC1.4 Ombres et lumière CORRIGE.
Exercice 1 : Quelle est la différence fondamentale entre une source
primaire de lumière et une source secondaire de lumière. Donner deux
exemples de chaque type.
Une source primaire de lumière émet de la lumière par elle-même. Le
Soleil, les étoiles, les lampes sont des sources primaires de lumière. Une
source secondaire renvoie une partie de la lumière qu'elle reçoit. La Lune,
la Terre, les planètes mais aussi un miroir tourné vers le Soleil sont des
sources secondaires de lumière.
Exercice 2 : Comment le spectre de la lumière blanche peut-il être
obtenu ? Quels sont les rayonnements invisibles ?
La lumière blanche est la partie de la lumière émise par le Soleil à
laquelle notre ?il est sensible. Le spectre de la lumière blanche peut être
obtenu à l'aide d'un prisme de verre ou d'un réseau (ex : la face d'un
CD)...
[pic]
...Où chaque couleur est caractérisée par une longueur d'onde différente
(? en mètres). Le diagramme ci-dessus montre que la lumière visible est une
petite partie d'un domaine de radiations beaucoup plus vaste appelé ondes
électromagnétiques. Exercice 3 : Quelle est la différence principale entre des objets
transparents, translucides et opaques ?
Un objet, un liquide ou autre est opaque s'il ne laisse pas passer la
lumière (bois, carton, la plupart des objets courants et des êtres
vivants). L'objet opaque absorbe une partie de la lumière et renvoie une
autre partie dans toutes les directions : c'est la diffusion de la lumière.
C'est à cause de cela que l'on peut voir les objets opaques.
Un objet, un liquide ou autre est transparent s'il laisse passer la
lumière sans la diffuser ni l'absorber (ou très peu), c'est-à-dire que l'on
peut distinguer nettement un objet se situant de l'autre côté ; exemples :
le verre, l'eau, l'air.
Un objet, un liquide ou autre est translucide s'il laisse partiellement
passer la lumière sans que l'on puisse distinguer nettement un objet se
situant de l'autre côté. (Exemples : verre dépoli, papier calque)
Exercice 4 : On éclaire, par une source ponctuelle, un ballon de handball
placé devant un écran. La droite qui passe par la source lumineuse et le
centre du ballon est perpendiculaire au plan de l'écran.
1. Schématisez le dispositif en situant :
. son ombre propre,
. son ombre portée,
. la zone d'ombre du ballon
2. Que se passe-il si la source ponctuelle est remplacée par une source
étendue ? 1) source ponctuelle 2) source
étendue Lorsque la source est ponctuelle on observe une ombre portée aux contours
bien nets. Lorsque la source est étendue une zone ne reçoit qu'une partie
des rayons se situe autour de l'ombre portée, c'est la zone de pénombre.
Exercice 5: Un poteau vertical de 50 cm est planté non loin d'un
arbre.
En mesurant les ombres portées de l'arbre et du poteau sur le sol
horizontal, on trouve respectivement : 8 m et 40 cm.
1. Faire un schéma en indiquant les rayons solaires. Quel est le principe
physique utilisé ?
2. Quelle est la hauteur de l'arbre ? 1) le soleil se situant à une très grande distance (en moyenne environ
150 000 000 km) nous pouvons considérer qu'il envoie au sol des rayons
parallèles. D'où le schéma suivant qui montre comment se forment les
ombres portées de l'arbre et du poteau vertical. Les rayons du Soleil
frappent le sol en formant tous le même angle ? avec celui-ci. Cet
angle ? est appelé hauteur du Soleil. 2) Les triangles PAH et P'A'H' sont donc semblables et l'application du
théorème de Thalès (dont cet exercice est une belle illustration)
donne :
A'H' / AH = P'H' / PH d'où AH = 8 x (0,5 : 0,4) = 10 m
Exercice 6 : Célérité (Vitesse) de la lumière
1. Quelle est la célérité de la lumière dans le vide ?
2. Quel est l'ordre de grandeur de la vitesse de propagation du son dans
l'air ? (le son se propage dans l'air environ un million de fois moins
vite que la lumière)
3. Donner la définition de l'année de lumière (ou année-lumière)
4. Montrer que l'année de lumière est environ égale à 1013 km.
5. Quel est l'intérêt d'utiliser une telle unité ?
1) La célérité de la lumière dans le vide est 300 000 km/s
2) Si le son se déplace à une vitesse environ 1000 000 de fois plus
petite, c'est que celle-ci vaut environ 0,3 km/s soit 300 mètres
par secondes
3) L'année-lumière est la distance parcourue par la lumière en 1 année
4) La lumière parcourt en 1 heure (3600secondes) :
300 000 x 3600 km
En 1 jour (24 heures)
300 000 x 3600 x 24km
En 1 an (365,25 jours en moyenne)
1 A.L = 300 000 x 3600 x 24 x 365,25 = 0, 946 728 x 1013 km
5) L'intérêt est double :
- Disposer d'une unité de distance compatible avec les distances
en astronomie.
- Lorsqu'on observe une étoile, connaître sa distance à la Terre
en AL permet de savoir immédiatement combien la lumière qui
parvient à notre ?il a mis de temps pour nous parvenir.
Exercice 7 : Au midi solaire, à Paris, on relève les jours des
solstices et des équinoxes, sur une surface horizontale, les ombres d'un
piquet vertical (« gnomon »). Comparez ces ombres en fonction des deux
critères suivants : orientation et longueur (justifier)
Les trois schémas ci-dessous montrent respectivement le mode opératoire, la
variation du mouvement apparent du Soleil et le résultat obtenu.
Au solstice d'hiver le Soleil se lève au sud-est et se couche au sud-
ouest. L'extrémité de l'ombre P' qui est toujours à l'opposé du Soleil se
déplace du nord-ouest au nord-est en passant par le nord à midi solaire
(l'ombre est longue : L).
Au solstice d'été le Soleil se lève au nord-est et se couche au nord-
ouest. P' (toujours à l'opposé du Soleil) se déplace donc du sud-ouest au
sud-est en passant par le nord (mais l'ombre est beaucoup plus courte
qu'au solstice d'hiver : l).
A l'équinoxe la trajectoire du point P' extrémité de l'ombre est
l'exact intermédiaire entre celles de deux solstices, c'est une droite
perpendiculaire au méridien (la direction nord-sud) située à égale
distance des deux. P' se déplace sur cette droite d'est en ouest, l'ombre
à midi est exactement (L+l)/2.
Une fois ce qui précède compris je vous conseille de retenir les
schémas ci-dessous, ils sont tout à fait acceptables, plus faciles à
reproduire le jour d'un examen et c'est en fin de compte des schémas de
ce type que vous utiliserez plus tard si vous enseignez l'astronomie au
cycle 3.
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