Unité C Sujet 1.1: Le défi de la lumière

Unité C : Lumière et systèmes optiques

• Notre connaissance de la lumière et de la vision découle des explications, des inventions et des enquêtes.
• Les concepts clés incluent les microscopes, les télescopes et la contribution des technologies au développement scientifique.
• Les objectifs d'apprentissage consistent à identifier les défis dans l'explication de la lumière et de la vision, à analyser l'utilisation des propriétés de la lumière par les dispositifs optiques et à décrire comment le développement des dispositifs optiques a contribué à d'autres découvertes scientifiques.

Sujet 1.1 : Le défi de la lumière

• Depuis l'Antiquité, l'utilisation de la lumière était courante, comme le montrent les miroirs et les lentilles en Chine et en Grèce.
• Archimède a conçu un plan pour employer des miroirs afin de brûler les navires ennemis.
• Les anciennes civilisations n'avaient pas une compréhension complète de la lumière, malgré son utilisation.
• L'exploration et l'expérimentation pour élucider la lumière se poursuivent à travers les siècles, mais les scientifiques ont encore des questions sans réponse sur sa nature.
• Dans la Grèce antique, Pythagore théorisa que la vision se produit lorsque des rayons émanant des yeux touchent des objets, une théorie qui ne tient pas compte de la vision dans l'obscurité.
• Euclide a découvert que la lumière se déplace en lignes droites et que l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion.
• Ptolémée a décrit comment la lumière se courbe lorsqu'elle passe de l'air au verre.
• Vers l'an 1000, le scientifique arabe al-Haytham a contribué à l'étude de la lumière.
• S'appuyant sur Euclide et Pythagore, al-Haytham a écrit un livre sur l'optique, décrivant avec précision la vision comme la lumière rebondissant sur les objets et voyageant vers les yeux.
• L'explication détaillée d'al-Haytham a conduit à l'abandon de la théorie de Pythagore sur la vision.
• Sir Isaac Newton a été intrigué par les couleurs d'un arc-en-ciel.
• Contrairement à l'idée de Descartes selon laquelle la lumière du soleil était modifiée pour former une lumière colorée, Newton a démontré que la lumière blanche est un mélange de différentes couleurs.
• En faisant passer la lumière à travers un prisme, Newton a divisé la lumière en couleurs distinctes.
• Newton a prouvé sa théorie en faisant passer ces couleurs à travers un deuxième prisme, où elles se recombinaient en lumière blanche.
• Les scientifiques connaissaient le voyage de la lumière, mais ne connaissaient pas sa vitesse.
• La première mesure précise a été réalisée par Ole Romer en 1676.
• Albert A. Michelson a affiné la mesure de la vitesse de la lumière en 1920 en plaçant des miroirs sur deux montagnes californiennes distantes de 35,4 km.
• Michelson a mesuré avec précision un faisceau lumineux voyageant entre les montagnes, obtenant une vitesse de 299 798 km/s dans l'atmosphère terrestre.
• Au cours de l'histoire, les connaissances sur la lumière et ses propriétés se sont élargies.
• La lumière se déplace en ligne droite.
• La lumière peut être réfléchie et courbée.
• La lumière est une forme d'énergie.

Sujet 1.2 : Dispositifs optiques

• Les scientifiques, les artisans et les amateurs ont exploité les propriétés réfléchissantes et réfractives de la lumière pour concevoir divers dispositifs optiques.
• Ces dispositifs varient des miroirs simples aux instruments complexes comme le télescope spatial Hubble et James Webb.
• Le développement des dispositifs optiques a considérablement amélioré la vie quotidienne et a conduit à d'importantes avancées scientifiques.
• Hans et Zacharias Jansen des Pays-Bas sont reconnus pour avoir inventé le premier microscope vers 1595.
• Les microscopes simples ont mené à des découvertes remarquables.
• Au XVIIe siècle, Antonie van Leeuwenhoek, scientifique amateur néerlandais, a utilisé son propre microscope simple pour observer l'eau de l'étang, le sang et la plaque dentaire.
• Antoni van Leeuwenhoek a découvert des "petits animalcules", qui seraient les premières descriptions de bactéries, de protozoaires, d'algues et de globules rouges.
• Les découvertes de van Leeuwenhoek ont émerveillé la communauté scientifique et ont révélé un monde jusqu'alors inconnu d'organismes microscopiques.
• La curiosité d' Antoni van Leeuwenhoek a conduit au développement de la microbiologie, l'étude des micro-organismes.
• Les microscopes, qui utilisent au moins deux lentilles (l'oculaire et l'objectif), permettent de discerner de fins détails en agrandissant les spécimens avec une source de lumière.
• Malgré l'évolution de leurs conceptions, les microscopes conservent le même principe de base.
• Les astronomes étaient fascinés par les étoiles et les planètes et l'invention du télescope à la fin du XVIIe siècle a révolutionné l'astronomie.
• Galilée a construit son propre télescope en entendant parler de lui et en a rapidement amélioré la conception.
• Avec ses télescopes améliorés, Galilée a fait des découvertes significatives, des montagnes et des cratères lunaires aux objets orbitant autour de Jupiter et aux phases de Vénus.
• La capacité des télescopes à grossir et à collecter la lumière a rendu ces observations possibles, permettant à Galilée de voir des objets célestes sombres et lointains.
• Les télescopes utilisent des lentilles et des miroirs pour collecter la lumière des objets distants, obtenant des images agrandies.
• Les télescopes servent principalement à observer l'espace, révélant des merveilles invisibles à l'œil nu.
• Il existe deux principaux types de télescopes : les réfracteurs et les réflecteurs.
• Les télescopes réfracteurs utilisent deux lentilles à chaque extrémité d'un long tube, avec la lentille objective collectant et focalisant la lumière vers l'oculaire.
• Les télescopes réflecteurs utilisent un grand miroir concave pour la collecte de la lumière et un autre miroir pour diriger la lumière vers l'oculaire.
• Les télescopes pour un usage domestique peuvent être assez volumineux, ce qui rend les jumelles, deux petits télescopes de réfraction attachés ensemble, plus pratiques.
• Bien que la puissance des jumelles puisse ne pas égaler celle des télescopes, elles permettent une manipulation plus facile et restent un moyen abordable d'observer les objets éloignés.
• L'exploration de la façon dont la lumière interagit avec divers objets révèle des aperçus fascinants sur sa nature.
• La lumière voyage généralement en ligne droite, mais peut réfléchir ou se réfracter de manière prévisible lorsqu'elle rencontre diverses substances.

Section 2.0 : La lumière se comporte de manière prévisible.

• Transmission et absorption de la lumière, la réflexion, la réfraction et les images sont des concepts clés.
• Décrire comment la lumière est réfléchie, transmise et absorbée, identifier les matériaux comme de bons absorbeurs, réflecteurs et transmetteurs, mesurer et prédire les angles de réflexion et de réfraction, comment la réfraction de la lumière varie à travers différents matériaux et comment démontrer la formation d'images en utilisant une lentille convexe sont des résultats d'apprentissage.

Section 3.0 : La lumière fait partie du spectre électromagnétique et se déplace en ondes.

• Concepts clés : spectre électromagnétique, transmission et absorption de la lumière, couleur et longueur d'onde et sources de lumière.
• Décrire les caractéristiques et la composition de la lumière du soleil et les propriétés ondulatoires de la lumière et du spectre électromagnétique, quelques applications technologiques du rayonnement électromagnétique, reconnaître les dangers associés à certaines formes de rayonnement, évaluer, comparer et contraster différentes sources de lumière artificielle et naturelle et peuvent décrire comment les couleurs primaires peuvent être ajoutées pour produire différentes couleurs et de la lumière blanche sont des résultats d'apprentissage.

Section 4.0 : Les yeux et les caméras capturent des images en utilisant les propriétés de la lumière

• Les concepts clés sont la vision et les lentilles, la réflexion et la réfraction, les technologies d'imagerie et les images.
• Expliquer comment les objets sont vus par l'œil, les similitudes et les différences entre les yeux et les caméras, comparer la fonction et la conception des yeux des mammifères et des autres vertébrés et invertébrés, explorer les nouvelles technologies qui améliorent la vision humaine et décrire comment les images numériques sont créées, stockées et transmises, sont les résultats d'apprentissage.