Lumière et couleurs
Juin 2001		Ecole Joliot-Curie 2 Montreuil		Corine Goldstein
Cycle 3		Point du programme : Optique		ec.joliot.curie2.montreuil@ac-creteil.fr

Objectifs de connaissance :
- Créer des couleurs matière et lumière
- Obtenir de nouvelles couleurs par mélange
- La lumière se propage en ligne droite
- La lumière traverse les milieux transparents
- La lumière se diffuse différemment en fonction du milieu traversé
- Les rayons du soleil chauffent davantage l'endroit où ils arrivent perpendiculaires

Objectifs de savoir faire :
- Tracer des triangles équilatéraux
- Construire des tétraèdres
- Mesurer
- Doser des mélanges

Termes scientifiques :
- Couleurs primaires, couleurs fondamentales
- Milieu transparent et opaque
- Se propager
- La lumière se réfléchit et se diffuse

 

Matériel

- Gouaches, peintures en poudre
- feutres
- papier absorbant :filtre à café
- feuilles plastiques transparentes de couleur
- bristol, compas, ciseaux, équerre, colle
- spots
- thermomètres
- papier canson blanc et de couleur
- boîte à " bazar " :matériaux divers
- optique :lentilles (les opticiens en donnent),loupes etc.

Le mot du maître

DOCUMENTATION SUR LA LUMIERE

Synthèse additive

On peut synthétiser presque toutes les couleurs, en particulier le blanc, en additionnant trois lumières colorées dites primaires, à condition qu'aucune des trois ne puisse être synthétisée par l'addition des deux autres. Le choix des trois couleurs fondamentales est arbitraire mais on utilise souvent les trois couleurs rouge, vert et bleu. La superposition de ces trois couleurs donne le blanc :

Ceci peut également se représenter de la façon suivante :

Les trois couleurs primaires :

Le blanc, obtenu avec les trois couleurs :

L'addition de ces lumières, deux à deux, en proportion convenable, donne respectivement une lumière :

Ce procédé est notamment utilisé pour les écrans de télévision : observez un écran de télévision avec une loupe, vous verrez une succession de pastilles fluorescentes bleues, vertes et rouge (les luminophores), groupées par trois. Les pastilles s'illuminent de façon plus ou moins intenses et recréent ainsi une gamme très étendue de couleurs:

luminophores d'un écran de télévision

Synthèse soustractive

On peut également synthétiser les couleurs en soustrayant à la lumière blanche une partie de ses radiations lumineuses. Pour cela, on utilise des filtres ou des pigments : un filtre est une substance colorée qui transmet la lumière colorée correspondant à sa propre couleur, et absorbe partiellement ou totalement les autres lumières colorées. Le spectre d'un filtre vert par exemple, éclairée en lumière blanche, est celui de la lumière blanche justement, où manquent les radiations rouges et orangées.Comme pour la synthèse additive, on réalise une synthèse soustractive en utilisant trois couleurs, en l'occurrence trois filtres colorés. Les trois couleurs primaires sont arbitraires mais on utilise généralement le magenta, le cyan et le jaune :

Le filtre absorbe une partie du spectre de la lumière blanche :

Un filtre jaune absorbe la lumière bleue et transmet les lumières verte et rouge :

Un filtre cyan absorbe la lumière rouge et transmet les lumières bleue et verte :

Un filtre magenta absorbe la lumière verte et transmet les lumières bleue et rouge :

Eclairés en lumière blanche, deux filtres superposés ou deux pigments mélangés ne renvoient vers l'œil que la partie commune des spectres :

La synthèse soustractive est notamment utilisée dans les domaines de la photographie et de l'imprimerie.

Les couleurs

Séance 1

Organisation de la classe :
- Débat " le blanc et le noir sont-ils des couleurs ? " : 15 minutes
- Par 2,mise en place des expérimentations envisageables :30 minutes
- Le lendemain, essais de mélanges

Situation déclenchante:
- Le blanc et le noir sont-ils des couleurs ?
2 élèves débattent autour de ce sujet puis le reste de la classe entre dans la discussion. Les avis sont partagés et tournent chez certains à un débat sur la discrimination raciale.
Un élève signale qu'on peut obtenir du noir en mélangeant des couleurs mais qu'on ne pourra pas obtenir du blanc.
Un autre se demande comment fabriquer une nouvelle couleur quand une seule couleur est en notre possession.

Déroulement de la séance :

-Il est demandé aux élèves de noter sur leur cahier les expériences éventuelles que l'on peut mettre en place pour répondre à ces questions.
Bilan collectif des propositions : Tester des mélanges de couleur
Chercher des végétaux ou minéraux qui peuvent colorer une feuille
Pour les minéraux, on peut râper des pierres, mélanger de la terre à l'eau
Pour les végétaux, on peut les écraser, les faire bouillir ou infuser

- Par groupe, les élèves testent des mélanges :
gouache
pastels gras
trois élèves disposent de 2 couleurs en poudre à diluer

- En collectif, les mélanges sont affichés :
Les résultats sont identiques à la gouache ou aux pastels
On a obtenu du vert, orange, bordeaux , kaki et marron

Pour un mélange de 2 couleurs données, le résultat varie d'un groupe à l'autre : la couleur est la même, mais il y a des nuances importantes
Les 3 élèves ayant travaillé avec 2 poudres expliquent que ça dépend de la proportion de chaque couleur. Elles montrent aussi que la quantité d'eau ajoutée permet de faire varier la teinte. Les autres enfants n'avaient pas pensé à contrôler la quantité des gouaches utilisées lors des mélanges.

- Suite prévue :
Un élève voudrait savoir si on obtient les mêmes résultats avec des feutres
Les vacances arrivent : les élèves vont testés chez eux quelques végétaux et épices.

Fabriquer des couleurs

Séance 1

Quelques élèves racontent à quels essais ils se sont livrés chez eux pour obtenir des teintures végétales, réussies ou pas.
Les premiers essais sont obtenus en mélangeant de la terre et de l'eau.
Les essais suivant portent sur les plantes : l'herbe ou les feuilles d'arbres colorent en vert les tissus (par frottement) ; les fleurs mises en décoction dans de l'eau n'ont pas coloré le mélange, mais le pistil de certaines fleurs colorent facilement la nappe.
Les expériences ayant portées sur des produits alimentaires non bruts sont invalidées par le reste de la classe.
D'autres montrent les teintes qu'ils ont ainsi obtenues sur une feuille de papier : café moulu, cacao, tomate, betterave, paprika, piment, safran etc. Ces produits ont été dilués avec de l'eau ou de l'huile.
Parmi les couleurs ainsi obtenues, il manque le bleu.

Après un rappel du problème posé, des résultats obtenus et des nouvelles propositions de recherche, les élèves vont travailler sur les feutres.

Je leur montre une marque orange sur un filtre à café que j'humidifie : on voit apparaître du jaune et du rouge.
Les élèves sont stupéfaits. Ils veulent essayer toutes leurs couleurs de feutres. Je leur demande de prévoir les résultats avant de les vérifier.
N.B : certains feutres violets donnent des traces rouge et bleue sur le papier mouillé, d'autres non.

Les élèves collent leurs essais dans leur cahier.

Bilan et conclusion :
- Le jaune, le bleu et le rouge sont des couleurs que l'on ne peut obtenir par mélange ; on dit qu'elles sont primaires ou fondamentales.
- Le vert, l'orange, le violet et le marron sont obtenus par mélange ; on dit qu'elles sont complémentaires.
- On a obtenu du marron foncé en mélangeant toutes les couleurs, mais pas de noir ni de blanc.

Liaison arts plastiques

Séance 1

Fabrication de roues tournantes composés de 6 couleurs : plus elles tournent vite, plus les couleurs se mélangent et pâlissent.
Les premières tournent avec une ficelle que l'on enroule puis déroule rapidement: Ca demande une bonne maîtrise du geste.
Les autres sont transformées en toupie à l'aide d'un cure-dent.
En utilisant un moteur, les toupies tournent encore plus vite et paraissent blanchâtres.

Séance 2

Fabrication d'une pyramide des couleurs :
Lecture d'une notice de fabrication écrite par une élève.
Réalisation de la pyramide : supports des arêtes en bristol, faces en plastique coloré transparent (un transparent, un jaune, un rouge et un vert).

Quelques élèves refont des toupies " fantaisies " en faisant varier les couleurs, leur disposition ou en ajoutant des motifs

Les couleurs d'un ordinateur ou d'une télé

Séance 1

Organisation de la classe :

1. Par groupe de 3, les élèves vont observer à l'aide d'une loupe une image fixe noire sur le téléviseur. Ils dessinent ensuite la trame de pixels observée.

2. Ils vont ensuite sur un site Internet consacré à ce sujet : les pixels sont agrandis, on peut faire varier le vert, le bleu et le rouge de 0 à 256 et observer les changements de couleur. Un deuxième site sera proposé ultérieurement, on pourra faire varier la teinte et la luminosité.

Bilan collectif :

Les dessins des observations ne sont pas tous identiques, la vision de chacun est différente. Certains élèves ne sont pas sur de ce qu'ils voient. Une élève explique ce qu'est un pixel .

Séquence N°5

Séance 1

Organisation de la classe :

- travail de groupes
- un autre groupe a choisit de travailler sur le fonctionnement des loupes et microscopes

Situation déclenchante:

Toute la classe a déjà travaillé sur la couleur matière, elle a aussi observé les procédés utilisés pour faire de la couleur sur un écran de télévision , un ordinateur et une imprimante.
Un groupe d'élèves a voulu continuer sur ce thème : comment fabriquer et mélanger des couleurs avec de la lumière.

Déroulement de la séance :

Ce groupe cherche à créer des couleurs avec de la lumière :

Il établit un protocole :
- Il veut diriger un spot sur un carton rouge (fixé sur le tableau) et pense ainsi obtenir une lumière rouge. Pendant expérimentation, il observe que l'élève situé devant le carton a le visage rouge et il en déduit que la lumière du spot se dirige vers la feuille et repart en se colorant en rouge.
- Il pense inutile d'essayer avec d'autres couleurs : la lumière réfléchie aura la même couleur que celle de la feuille choisie.
- Il veut ensuite placer une feuille cartonnée bleue au-dessus de la rouge et pense que la lumière réfléchie sera violette. L'expérimentation infirme leur hypothèse.

Ce groupe fait ensuite part de leurs travaux au reste de la classe :
Un élève de la classe utilise l'expression " la lumière se réfléchit ".
Un autre voudrait savoir si on peut obtenir plusieurs couleurs réfléchies en juxtaposant plusieurs feuilles de couleurs.
Autres suggestions :
- Utiliser une feuille blanche pour recevoir la lumière réfléchie (les nuances seront plus visibles).
- Essayer de réfléchir plusieurs fois la lumière du spot à l'aide de plusieurs écrans de couleurs différentes.
- Essayer plusieurs distances entre la feuille blanche et la rouge pour voir jusqu'à quelle distance on peut encore voir du rouge sur la feuille.
- Découper une forme colorée et l'éclairer : la lumière renvoyée conservera-t-elle la forme en même temps que la couleur ?
- Essayer avec des plastiques transparents comme les protège-cahiers : les mélanges seront plus facile.

Couleurs - Lumière - Chaleur

Organisation de la classe :

Les élèves ont choisi sur quelle question ils voulaient ensuite continuer leurs recherches:

- 5 élèves cherchent à créer ou mélanger des couleurs-lumière.
- 3 élèves veulent comprendre comment fonctionnent les outils grossissants (loupe, microscope etc).
- 10 élèves (3 groupes) veulent expliquer pourquoi le soleil est plus chaud en Egypte qu'en France ( question laissé en suspens au premier trimestre).
- 8 élèves ( 2 groupes) veulent observer les mélanges de couleurs que l'on peut obtenir sur une roue tournante fixé sur un moteur.

Lumière et couleurs

1er protocole : On peut créer de la lumière rouge en éclairant un écran rouge. Cet écran renvoie une partie de la lumière reçue teintée en rouge : si mon visage est devant l'écran rouge, mon teint rougit.

2ème protocole : Créer des formes et des dessins grâce à la lumière (théâtre d'ombre, découpage de formes dans du carton )
La lumière de la lampe traverse les formes évidées d'un carton et projette ainsi une forme sur un écran ; on peut agrandir cette forme en jouant sur la distance lampe-pochoir ou pochoir-écran.

3ème protocole : Avec des spots et des transparents de couleur, on peut créer des couleurs avec la lumière, on peut aussi mélanger les couleurs pour en obtenir des nouvelles.

Les roues sifflantes colorées

Les 2 groupes qui ont choisi ce sujet ont une attitude plus passive et n'osent se lancer dans l'élaboration de nouveaux protocoles.

Cependant, l'utilisation d'un moteur électrique les séduit.

Ils perdent beaucoup de temps et ne peuvent faire un compte-rendu satisfaisant.

J'insiste alors pour savoir ce qui les a ralenti:
Mauvaise organisation à l'intérieur du groupe :un travaille, les autres regardent, une répartition des tâches trop tardive.
Le branchement du moteur leur a posé des difficultés.
Les disques colorés sont peu nombreux : un groupe a eu du mal à diversifier la disposition et le nombre des couleurs utilisées ; l'autre groupe a cherché des dispositions colorées très sophistiquées, très esthétiques sur le disque à l'arrêt (d'où une perte de temps) mais invisibles sur le disque en rotation rapide.

L'ensemble du groupe classe a pu les aider lors du compte-rendu par leurs remarques et leurs suggestions.

Comment un microscope grossit -il les " objets " ?

1er protocole : Observer à l'aide d'un microscope ; manipuler un microscope pour comprendre son fonctionnement.
Le groupe prend un binoculaire et observe avec les éléments variés (papier, feuille trace de stylo…)
Il apprend à utiliser les différentes molettes et s'aperçoit ensuite qu'il a pris le binoculaire et pas le microscope.

2ème protocole : pourquoi ça grossit, qu'est ce qui grossit les objets ?
une loupe, l'eau (du bain), certaines vitres, les lunettes, les jumelles, le microscope, le binoculaire, une règle transparente, un télescope.
Quelquefois, la carrosserie des voitures ou certains miroirs peuvent déformer ou grossir notre image.
Les élèves manipulent les objets qu'ils ont trouvé en classe ou rapporté peu après : loupes, jumelles, binoculaire et microscope.

3ème protocole : on va fabriquer un microscope (le microscope de l'école est introuvable )…
Avec de l'eau : on pose une goutte sur une feuille ou un plastique transparent, ça grossit les mots.
De l'eau dans un tube à essai :le stylo plongé dedans paraît plus gros ; les écritures derrière le tube sont grossies et parfois s'inverse (oblique dans l'autre sens).

Avec un miroir sur un plan incliné et des loupes posées au-dessus, on obtient un microscope ; on peut ajouter ou retirer des loupes pour changer de grossissement. Il faut orienter le miroir vers la fenêtre (comme avec le microscope) et il faut regarder sans cacher le soleil avec sa tête (pas très pratique mais possible).

Pourquoi le soleil est plus chaud en Egypte qu'en France ?

1er protocole (1er groupe) : on pense que c'est parce que l'Egypte est plus près de l'équateur. On repère les 2 pays sur le globe, on éclaire avec un spot et on va mesurer la chaleur.
Au début, les élèves veulent mesurer la température en gardant un doigt sur chacun des 2 pays, mais c'est rapidement trop chaud, ils utilisent ensuite 2 thermomètres et constatent une différence de 5 degrés en faveur de l'Egypte.

2ème protocole (2ème groupe) : on a lu dans les livres que les rayons du soleil sont plus chauds quand ils arrivent " droits " sur un pays et sont moins chauds quand ils sont " rasants " ou obliques.
On éclaire une boule noire : L'Egypte est plus éclairée que la France, alors on voit que c'est plus chaud. Ils préciseront ensuite (à la demande des autres groupes) : la lampe éclaire fort face à elle et moins sur les côtés ; plus la lumière est forte, plus l'endroit est chaud.
Ils affinent leur démonstration (à la demande de la classe) : les rayons de la lampe sont matérialisés par des tiges, 2 sont pointées vers les 2 pays ; ils montrent ensuite les 2 angles formés par chacune des 2 tiges et le globe (tige- France et tige Egypte) ; ils montrent quelle tige est rasante et quelle tige est proche de la perpendiculaire .

Cahier d'Expériences et bilan oral des recherches sur séances 6 -7 -8 :
Il y a eu plusieurs séances de bilan collectif : entre la 6 et la 7 (bilan succinct suivi de nombreuses suggestions, puis après la 8 (compte-rendu des travaux menés)

La diversité des sujets a permis une évolution importante de leur démarche : meilleure écoute, suggestions et conseils des autres groupes, plus d'autocritique et de rigueur à l'intérieur des groupes : notre travail doit être de qualité pour être apprécié et reconnu par l'ensemble de la classe.

Les recherches étant différentes pour chaque groupe, les élèves ont ressenti davantage la nécessité d'écrire régulièrement leur démarche pour la communiquer plus facilement aux autres.

Ils se sont aperçus que s'ils ne notaient pas rapidement certains résultats, ils les oubliaient ( expérimentations à refaire) ou les déformaient (les relevés de température étaient différents pour les membres d'un même groupe car notés à posteriori, de mémoire).

Dans certains groupes, un élève seulement notait les résultats.
Dans un groupe, cet élève faisait ensuite des photocopies pour l'ensemble du groupe.

La communication orale des travaux à l'ensemble de la classe a permis de faire évoluer des protocoles ( suggestions, idées d'expérimentations) d'une séance sur l'autre ou bien au moment même de la présentation des travaux (rayons du soleil et angle d'arrivée en un lieu).
2 groupes doivent recommencer leurs relevés car la classe a observé des contradictions dans leurs résultats.

Conclusions de la classe

Soleil et chaleur :
Le soleil éclaire et chauffe la terre
Il chauffe davantage si ses rayons arrivent droits (perpendiculaires) sur un pays.
Il chauffe moins si ses rayons sont rasants (obliques).
Il fait plus chaud dans les pays proches de l'équateur.
Il fait de moins en moins chaud quand on se rapproche des pôles :les rayons solaires sont de plus en plus obliques.

Instruments d'optique :
La lumière se propage en ligne droite dans l'air, mais elle se diffuse différemment dans d'autres milieux transparents.
Tous les instruments d'optique sont transparents, ils laissent passer la lumière.
Leur surface est bombée ou bosselée : c'est ce qui permet de grossir ou de déformer l'image d'un objet
Les miroirs ne laissent pas passer la lumière, mais ils la renvoie :ils la réfléchissent.
Les miroirs déformants sont eux aussi bombés ou bosselés (creux et bosse).
L'eau d'un lac ou la vitrine d'un magasin laissent passer la lumière (on voit le fond ou le magasin) mais en réfléchit aussi ( on se voit dedans comme dans un miroir ).