Fiche de séance — Physique-Chimie 4ᵉ — « Lumière et vision : propagation rectiligne, ombres et réflexion »

Informations générales

Note sur les sources (documents réellement consultés). Cette fiche s'appuie d'abord sur le programme de cycle 4 de physique-chimie (cycle4-physique-chimie.pdf, BOEN n° 31 du 30 juillet 2020), thème « Des signaux pour observer et communiquer », rubrique « Signaux lumineux », page 9 du PDF (paginée 104). Les deux attendus cités dans la fiche y figurent mot pour mot : « Distinguer une source primaire (objet lumineux) d'un objet diffusant » et « Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux » ; les connaissances associées listent « Lumière : sources, propagation, vitesse de propagation, année-lumière » et « Modèle du rayon lumineux ». C'est aussi cette page qui autorise explicitement les prolongements retenus ici : « L'exploitation de la propagation rectiligne […] peut conduire à travailler sur les ombres, la réflexion et des mesures de distance », ainsi que la sensibilisation « aux risques d'emploi des sources lumineuses (laser par exemple) » — d'où la règle de sécurité « aucun laser ». La compétence « Expliquer les fondements des règles de sécurité en […] optique » est tirée de la page 3 du même PDF.

Le document « Aide à la construction d'une progression » (progression-pc-cycle4.pdf, Éduscol, juin 2016) est lui aussi sur le thème et a réellement servi : ses pages 20-21 placent en classe de 4ᵉ la distinction source primaire / objet diffusant, le modèle du rayon lumineux et la propagation rectiligne, ce qui justifie le niveau de la séance ; surtout, sa page 23 liste « Ombre, pénombre » et « Réflexion » parmi les notions implicites mobilisables sur ce thème, ce qui conforte le statut d'ombres et de réflexion comme prolongements admis (et non hors-programme). Ce document a donc apporté un appui de progressivité et de cadrage du thème, pas de contenu expérimental détaillé.

Le document « Repères pour l'enseignement » (reperes-pc-cycle4.pdf, Éduscol, mars 2016) est générique : ces 2 pages ne contiennent aucun contenu sur la lumière, les ombres ou la réflexion. Elles n'ont servi qu'à étayer des principes pédagogiques généraux déjà présents dans la fiche — primauté de la démarche expérimentale (ne pas substituer le document à la manipulation), place centrale de la modélisation (le rayon lumineux comme modèle), différenciation dans la plupart des séances, travail de synthèse systématique et évaluation positive par indicateurs. Aucun lien disciplinaire spécifique au thème n'en a été tiré, et rien n'a été inventé.

Attendus du programme et compétences visées

Attendus mobilisés (formulations du programme de cycle 4, thème « Des signaux pour observer et communiquer ») :

• Distinguer une source primaire d'un objet diffusant.
• Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux.

La réflexion sur une surface réfléchissante et l'étude des ombres (ombre propre, ombre portée, cône d'ombre) constituent les prolongements admis de la propagation rectiligne et du modèle du rayon lumineux.

Compétences travaillées (programme — « Compétences travaillées / Domaines du socle ») :

Objectifs d'apprentissage

À la fin de la séance, l'élève est capable de :

1. distinguer une source primaire (qui produit sa propre lumière) d'un objet diffusant (qui renvoie la lumière reçue) ;
2. énoncer que, dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite ;
3. modéliser un trajet lumineux par un rayon lumineux (trait + flèche orientée) et un faisceau par un ensemble de rayons ;
4. expliquer la formation d'une ombre propre et d'une ombre portée à l'aide du cône d'ombre ;
5. observer qu'une surface réfléchissante (miroir) renvoie la lumière de façon régulière.

Expériences marquantes proposées (10, classées, avec matériel requis)

Les expériences sont regroupées par objectif pédagogique. Toutes utilisent du matériel standard de salle de sciences (boîte optique, lampes, miroirs, écrans, objets opaques) et sont réalisables et sûres.

A. Source primaire / objet diffusant

1. La lune de poche (effet de surprise) — Dans la pénombre, une balle blanche est invisible ; on l'éclaire avec la lampe : elle « s'allume » sans être une source. Matériel : balle blanche, lampe de bureau. → l'objet diffusant ne fait que renvoyer la lumière reçue.
2. Qui brille vraiment ? — Comparer une LED allumée et un autocollant rétro-réfléchissant éclairé. Matériel : petite LED sur pile, autocollant/réflecteur de vélo, lampe. → tri source primaire / objet diffusant.

B. Propagation rectiligne et modèle du rayon lumineux

3. Le faisceau qui se révèle (waouh) — Faisceau de la boîte optique rendu visible en frôlant un écran blanc poudré de craie : on « voit » le trait droit de lumière. Matériel : boîte optique à fente, écran, craie.
4. Les trois trous alignés (spectaculaire) — Trois cartons percés : la tache lumineuse n'apparaît que lorsque les trous sont parfaitement alignés. Matériel : 3 cartons percés, lampe, écran. → la lumière ne « tourne » pas.
5. La visée du laborantin — Vérifier l'alignement de la source et d'un repère à la réglette, puis tracer le rayon sur la feuille. Matériel : boîte optique, réglette, feuille.

C. Ombres, cône d'ombre, ombre propre / ombre portée

6. L'ombre géante (waouh) — Approcher l'objet de la lampe : son ombre sur le mur grandit énormément. Matériel : objet opaque, lampe, mur/écran.
7. Une, deux, trois ombres (surprise) — Deux puis trois lampes : l'objet projette plusieurs ombres qui se chevauchent (zones d'ombre/pénombre). Matériel : objet opaque, 2–3 lampes, écran.
8. Le cône d'ombre au doigt — Repérer dans le faisceau la zone totalement sombre derrière l'objet et tracer le cône au feutre sur l'écran. Matériel : boîte optique, petit objet, écran.
9. Mini-éclipse (waouh) — Lampe = Soleil, grosse balle = Terre, petite balle = Lune : reproduire l'alignement qui plonge un point dans l'ombre. Matériel : lampe, 2 balles, tiges/supports.

D. Réflexion sur une surface réfléchissante

10. Le rayon qui rebondit (marquant) — Envoyer le faisceau de la boîte optique sur un miroir plan posé à plat : le rayon repart en ligne droite dans une autre direction ; on trace rayon incident et rayon réfléchi. Matériel : boîte optique, miroir plan, feuille, règle.

Séance d'aujourd'hui : on retient surtout les expériences 3, 4, 6/8 (propagation et ombres) et 10 (réflexion). Les autres alimentent la différenciation et l'approfondissement.

Déroulement détaillé et chronométré

Total = 55 min de créneau, dont ≈ 45 min effectives d'apprentissage.

Phase 0 — Accueil, installation, appel, annonce de l'objectif (5 min) — collectif

• Professeur : accueille à la porte, fait entrer dans le calme. « Posez vos affaires, sortez classeur et trousse. » Fait l'appel pendant l'installation. Annonce, projetée au tableau : « Aujourd'hui, on va comprendre comment la lumière voyage, pourquoi il y a des ombres, et comment un miroir renvoie la lumière. »
• Élèves : s'installent en binômes, sortent le matériel d'écriture.
• Support / modalité : diapositive d'objectif ; collectif.
• Transition : « Avant de manipuler, une question qui va nous surprendre. »

Phase 1 — Situation déclenchante et recueil des conceptions (6 min) — collectif puis individuel

• Professeur réalise l'expérience 1 (la lune de poche) rideaux tirés : « Voyez-vous la balle ? » (non) ; il l'éclaire : « Et maintenant ? La balle est-elle devenue une lampe ? » Question écrite au tableau : « La balle blanche : produit-elle de la lumière ou la renvoie-t-elle ? »
• Élèves : écrivent en 1 phrase leur réponse + une justification (cahier de brouillon), individuellement (recueil des conceptions, sans correction immédiate).
• Support / modalité : balle, lampe ; individuel.
• Transition : « Gardez votre idée. On introduit deux mots de scientifique. »

Phase 2 — Institutionnalisation courte : source primaire / objet diffusant (4 min) — collectif

• Professeur recueille 3–4 réponses, fait verbaliser : une source primaire produit sa lumière (Soleil, LED, flamme) ; un objet diffusant renvoie la lumière qu'il reçoit (balle, Lune, page). Note les deux termes au tableau, sans phrase rédigée (la trace écrite viendra plus tard, co-construite).
• Élèves : classent à l'oral 4 exemples projetés (Soleil, écran de téléphone allumé, mur blanc, Lune).
• Modalité : collectif.
• Transition : « Cette lumière qui part de la source, par où passe-t-elle pour arriver à nos yeux ? »

Phase 3 — Investigation 1 : la lumière voyage-t-elle en ligne droite ? (13 min) — binômes

• Professeur distribue/active les boîtes optiques. Consigne exacte : « Vous avez une source, des cartons percés et un écran. Trouvez une expérience qui prouve que la lumière va tout droit. Schématisez ce que vous voyez. » Il circule, relance par des questions (« Que se passe-t-il si tu décales un trou ? »). Met à disposition l'expérience 3 (craie sur écran) et l'expérience 4 (trois trous).
• Élèves : manipulent en binômes, réalisent l'alignement, schématisent le faisceau et la tache lumineuse, formulent par écrit une conclusion provisoire.

STOP PÉDAGOGIQUE (à ≈ +7 min de la phase) : le professeur arrête tout le groupe 60–90 s. Il interroge 3 binômes ciblés (pas les mains levées) : « Montre-moi, sans parler, où passe la lumière. » Il fait lever/baisser le pouce de chaque binôme à la question : « Si je désaligne un trou, la tache reste-t-elle ? » Repère les binômes en difficulté et leur donne un point d'appui (déplacer un seul carton). Objectif : vérifier que tous ont relié alignement et propagation, pas seulement les plus rapides.

• Support / modalité : boîte optique, cartons, écran, craie ; binômes.
• Transition : « On va écrire ensemble ce que vous venez de prouver. »

Phase 4 — Modélisation et début de trace écrite co-construite (6 min) — collectif

• Professeur projette le schéma d'un binôme et demande : « Comment dessiner proprement le trajet de la lumière ? » Fait émerger le rayon lumineux (trait + flèche indiquant le sens) et le faisceau (ensemble de rayons). Introduit la phrase à partir des mots des élèves : « Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. » (écrite avec leurs formulations, pas dictée).
• Élèves : proposent la formulation, recopient le schéma normalisé d'un rayon et d'un faisceau dans la trace écrite en construction.
• Modalité : collectif.
• Transition : « Si la lumière va tout droit, que se passe-t-il quand un objet lui barre la route ? »

Phase 5 — Investigation 2 : ombres et cône d'ombre (8 min) — binômes

• Professeur : « Placez un objet opaque dans le faisceau. Repérez la zone totalement sombre derrière l'objet et tracez-la sur l'écran. » Montre rapidement l'expérience 6 (ombre géante) au tableau pour relancer la curiosité, puis laisse les binômes faire l'expérience 8 (cône d'ombre).
• Élèves : tracent au feutre la limite de l'ombre portée sur l'écran, identifient l'ombre propre (face non éclairée de l'objet) et l'ombre portée (sur l'écran), relient les deux par le cône d'ombre.

STOP PÉDAGOGIQUE (à ≈ +4 min) : arrêt bref. Le professeur fait pointer du doigt, par tous les binômes simultanément, « ombre propre » puis « ombre portée » sur leur montage. Vérifie d'un coup d'œil que chacun distingue les deux. Relance les binômes bloqués : « D'où part le bord de l'ombre ? » (du bord de l'objet, en ligne droite depuis la source).

• Support / modalité : boîte optique, objet opaque, écran, feutre ; binômes.
• Transition : « Dernier cas : et si l'obstacle est un miroir ? »

Phase 6 — Démonstration : réflexion sur une surface réfléchissante (4 min) — collectif

• Professeur réalise l'expérience 10 : faisceau de la boîte optique sur un miroir plan. « Le rayon disparaît-il ? Non : il repart en ligne droite dans une nouvelle direction. » Trace au tableau rayon incident et rayon réfléchi sur la surface réfléchissante. Énonce le vocabulaire ; pas de loi quantitative à ce stade.
• Élèves : observent, nomment rayon incident / rayon réfléchi, complètent le schéma de réflexion dans la trace.
• Modalité : collectif (démonstration).
• Transition : « Finalisons notre trace et vérifions ce qu'on a appris. »

Phase 7 — Finalisation de la trace écrite + auto-évaluation (5 min) — individuel puis collectif

• Professeur : fait compléter le texte à trous co-construit (voir section Trace écrite) ; distribue/projette la grille d'auto-évaluation à indicateurs.
• Élèves : complètent le texte à trous avec leurs mots, puis se positionnent sur la grille d'auto-évaluation.
• Modalité : individuel, mise en commun éclair.
• Transition : « On range le matériel proprement. »

Phase 8 — Rangement, bilan rapide, sortie (4 min) — collectif

• Professeur : consigne de rangement (lampes éteintes, miroirs à plat, écrans empilés). Bilan oral éclair : « En un mot : la lumière se propage comment ? » ; « Source primaire ou objet diffusant : la Lune ? »
• Élèves : rangent le matériel, répondent au bilan, sortent dans le calme.
• Modalité : collectif.

Récapitulatif du temps — 5 + 6 + 4 + 13 + 6 + 8 + 4 + 5 + 4 = 55 min (dont ≈ 45 min effectives, hors phases 0 et 8).

Différenciation

• Élèves en difficulté : binôme avec un montage déjà semi-préparé (trous pré-alignés) ; étiquettes-mots à coller (« source primaire », « objet diffusant », « rayon ») plutôt qu'à écrire ; schéma à compléter au lieu de schéma à produire ; tutorat par un pair sur l'expérience 3.
• Élèves à l'aise : produire eux-mêmes le schéma normalisé sans modèle ; justifier par écrit « pourquoi l'ombre grandit quand l'objet se rapproche de la lampe ».
• Gestion du temps / engagement : les deux stops pédagogiques servent aussi à re-cibler les binômes décrocheurs ; questions « pouce levé/baissé » pour engager tous les élèves, pas seulement les volontaires.
• Demi-groupe : si effectif réduit, chaque binôme réalise en plus l'expérience 7 (ombres multiples) pour observer la pénombre.

Trace écrite construite AVEC les élèves

Forme retenue cette séance : schéma légendé + texte à compléter (la séance précédente utilisait une synthèse rédigée ; on varie la forme).

La trace n'est ni dictée ni projetée à recopier : chaque énoncé est reformulé à partir des propositions orales des élèves (phases 4 et 6), puis stabilisé sous forme d'un texte à trous que les élèves complètent avec leurs mots.

1. Schéma à reproduire et légender (construit au tableau avec la classe) : - un rayon lumineux : trait droit + flèche (sens de propagation) ; - un faisceau : ensemble de rayons issus de la source ; - un objet opaque dans le faisceau → ombre propre, ombre portée, cône d'ombre ; - un miroir : rayon incident et rayon réfléchi sur la surface réfléchissante.

2. Texte à compléter (les mots-clés sont ceux dégagés par la classe) :

Une source ……… (primaire) produit sa propre lumière ; un objet ……… (diffusant) renvoie la lumière qu'il reçoit. Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ……… (ligne droite). On modélise son trajet par un ……… (rayon lumineux) orienté. Quand un objet opaque arrête la lumière, il se forme une ombre ……… (portée) sur l'écran ; la zone sombre derrière l'objet est le ……… (cône d'ombre). Une surface réfléchissante (un ……… (miroir)) renvoie la lumière : le rayon ……… (réfléchi) repart en ligne droite.

Auto-évaluation des élèves (indicateurs de réussite observables)

L'élève coche le niveau atteint en s'appuyant sur l'indicateur, et non sur un simple « j'ai compris ».

Consigne élève : « Pour chaque ligne, regarde l'indicateur : si tu peux le faire seul, coche Acquis ; sinon, coche À retravailler et note la ligne dans ton agenda. »

Activités d'approfondissement pour élèves rapides

• Mini-éclipse (expérience 9) : avec lampe + deux balles, reproduire l'alignement Soleil–Terre–Lune et expliquer, à l'aide du cône d'ombre, pourquoi un point de la Terre passe dans l'ombre. Schématiser.
• Ombres multiples (expérience 7) : prévoir, puis vérifier, le nombre d'ombres obtenues avec deux puis trois lampes ; nommer la zone de pénombre.
• Défi de visée : aligner « à l'œil » trois repères sur la paillasse, puis vérifier à la réglette que la lumière passe — justifier le lien avec la propagation rectiligne.
• Rédaction : expliquer en 3 lignes pourquoi on voit la Lune alors qu'elle ne produit pas de lumière (réinvestissement source primaire / objet diffusant).

Illustration éventuelle (recherche d'image, sans URL inventée)

Si le professeur souhaite projeter un schéma d'ombre portée / cône d'ombre ou de réflexion sur un miroir :

• Description : schéma scientifique d'optique géométrique (faisceau, ombre, cône d'ombre, miroir plan), libre de droits.
• Wikimedia Commons (requête EN ANGLAIS, 3–5 mots-clés) : umbra penumbra shadow diagram ; plane mirror light ray reflection → https://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=umbra+penumbra+shadow+diagram&title=Special:MediaSearch&type=image
• Recherche d'images généraliste (toutes langues) : https://www.google.com/search?tbm=isch&q=umbra+penumbra+shadow+diagram

Sinon, le schéma co-construit au tableau suffit : aucune illustration extérieure n'est nécessaire.

Fiche d'activité expérimentale — Lumière et vision : propagation rectiligne, ombres et réflexion

Discipline : Physique-Chimie — Thème : Des signaux pour observer et communiquer. Matériel sur ma paillasse (binôme) : 1 boîte optique (lanterne à fente) ou lampe de bureau + écran à fentes, 1 miroir plan, 1 petit objet opaque (balle, figurine), 1 écran blanc (carton), 1 réglette, 1 équerre, feutres, craie.

⚠️ Sécurité. Je ne regarde jamais une source vive de face ; je ne dirige pas un faisceau vers les yeux d'un camarade ; je manipule les miroirs à plat (bords parfois coupants) ; aucun laser.

Objectifs — « Je sais… »

À la fin de la séance, je suis capable de :

1. distinguer une source primaire (qui produit sa propre lumière) d'un objet diffusant (qui renvoie la lumière reçue) ;
2. énoncer que, dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite ;
3. modéliser un trajet lumineux par un rayon lumineux (trait + flèche orientée) et un faisceau par un ensemble de rayons ;
4. expliquer la formation d'une ombre propre et d'une ombre portée à l'aide du cône d'ombre ;
5. observer qu'une surface réfléchissante (miroir) renvoie la lumière de façon régulière.

1. Situation déclenchante

Rideaux tirés, dans la pénombre, je ne vois pas la balle blanche posée sur la paillasse. Le professeur l'éclaire avec la lampe : la balle « s'allume » — pourtant ce n'est pas une lampe.

Question : La balle blanche : produit-elle de la lumière ou la renvoie-t-elle ?

J'écris ma réponse en une phrase, avec une justification (« produit » / « renvoie ») :

Deux mots de scientifique. Je classe à l'oral ces 4 exemples en source primaire (produit sa lumière) ou objet diffusant (renvoie la lumière reçue) : Soleil → __ · écran de téléphone allumé → _ · mur blanc → ___ · Lune → ______

2. Le problème à résoudre

Cette lumière qui part de la source, par où passe-t-elle pour arriver à nos yeux ?

J'écris le problème scientifique sous forme de question :

3. Mes hypothèses

Avant de manipuler, je propose mes réponses (elles seront vérifiées par l'expérience) :

• Selon moi, la lumière voyage en suivant un trajet : ☐ courbe ☐ en ligne droite ☐ je ne sais pas
• Si un objet opaque barre la route à la lumière, je pense qu'il se passera : _________

4. Investigation 1 — La lumière voyage-t-elle en ligne droite ?

Consigne : Avec une source, des cartons percés et un écran, trouve une expérience qui prouve que la lumière va tout droit. Schématise ce que tu vois.

Pistes à essayer en binôme : - rendre le faisceau visible en frôlant l'écran blanc poudré de craie : on « voit » le trait droit de lumière ; - les trois trous alignés : la tache lumineuse n'apparaît que lorsque les trois cartons percés sont parfaitement alignés.

Question pendant la manipulation : si je désaligne un trou, la tache lumineuse reste-t-elle ? ☐ Oui ☐ Non

Schéma à tracer (la source, les cartons percés / la fente, l'écran, le trajet de la lumière avec une flèche indiquant le sens) :

Ma conclusion provisoire : le trajet de la lumière est ☐ courbe ☐ rectiligne (en ligne droite), parce que

5. Investigation 2 — Ombres et cône d'ombre

Consigne : Place un objet opaque dans le faisceau. Repère la zone totalement sombre derrière l'objet et trace-la sur l'écran.

J'identifie et je nomme sur mon montage : - l'ombre propre : la face non éclairée de l'objet ; - l'ombre portée : la zone sombre sur l'écran ; - le cône d'ombre : la zone totalement sombre derrière l'objet.

Question pendant la manipulation : d'où part le bord de l'ombre ? _______

Schéma à tracer (la source, l'objet opaque, deux rayons rasant ses bords, l'écran, le cône d'ombre à colorier) :

6. Réflexion sur un miroir (démonstration)

Le professeur envoie le faisceau de la boîte optique sur un miroir plan posé à plat. Le rayon ne disparaît pas : il repart en ligne droite dans une nouvelle direction.

Schéma à compléter (rayon avant le miroir = rayon incident ; le miroir ; rayon après le miroir = rayon réfléchi, avec leurs flèches) :

7. Tableau de résultats

Je remplis le tableau au fur et à mesure de mes observations.

8. Trace écrite À CO-CONSTRUIRE

Chaque énoncé est construit ensemble au tableau, puis je le complète avec mes mots.

Schéma à reproduire et à légender

Je reproduis le schéma construit au tableau et je légende : - un rayon lumineux : trait droit + flèche (sens de propagation) ; - un faisceau : ensemble de rayons issus de la source ; - un objet opaque dans le faisceau → ombre propre, ombre portée, cône d'ombre ; - un miroir : rayon incident et rayon réfléchi sur la surface réfléchissante.

Texte à compléter

Une source ……… ( ____ ) produit sa propre lumière ; un objet ……… ( ____ ) renvoie la lumière qu'il reçoit.

Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ……… ( ____ ). On modélise son trajet par un ……… ( ____ ) orienté.

Quand un objet opaque arrête la lumière, il se forme une ombre ……… ( ____ ) sur l'écran ; la zone sombre derrière l'objet est le ……… ( ____ ).

Une surface réfléchissante (un ……… ( ____ )) renvoie la lumière : le rayon ……… ( ____ ) repart en ligne droite.

9. Auto-évaluation

Pour chaque ligne, je regarde l'indicateur : si je peux le faire seul, je coche Acquis ; sinon, je coche À retravailler et je note la ligne dans mon agenda.

J'entoure une difficulté qui me reste et je note une question à poser au professeur :

Pour aller plus loin (si j'ai terminé)

• Mini-éclipse : avec une lampe (Soleil) et deux balles (Terre, Lune), je reproduis l'alignement Soleil–Terre–Lune et j'explique, à l'aide du cône d'ombre, pourquoi un point de la Terre passe dans l'ombre. Je schématise.
• Ombres multiples : je prévois puis je vérifie le nombre d'ombres obtenues avec deux puis trois lampes ; je nomme la zone de pénombre.
• Défi de visée : j'aligne « à l'œil » trois repères sur la paillasse, puis je vérifie à la réglette que la lumière passe — je justifie le lien avec la propagation rectiligne.
• Rédaction : j'explique en 3 lignes pourquoi on voit la Lune alors qu'elle ne produit pas de lumière.

Illustration (recherche d'image, si besoin)

Pour retrouver un schéma d'ombre portée / cône d'ombre ou de réflexion sur un miroir (libre de droits) :

• Wikimedia Commons (requête en anglais) : umbra penumbra shadow diagram ; plane mirror light ray reflection https://commons.wikimedia.org/w/index.php?search=umbra+penumbra+shadow+diagram&title=Special:MediaSearch&type=image
• Recherche d'images généraliste : https://www.google.com/search?tbm=isch&q=umbra+penumbra+shadow+diagram