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Divergent rays and parallel rays

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Divergent rays and parallel rays concepts

 

Simulation
The teacher makes a statement on the situation : several pencils will be raised on line on the table and a flashlight will light them from behind, then ask the pupils to anticipate : what will occur when you light the lamp? (the lamps have not been distributed yet).


Note : This moment of anticipation makes it possible to the teacher to evaluate what his pupils have understood about rectilinear propagation, and to the pupils to become aware the way they think. If, after checking, the experiment invalidates the forecast, the pupils will undoubtedly understand better the origin of their mistakes.


One distributes to each group of pupils the flashlights. This time, with their flashlight, the pupils light several pencils installed as on exhibit 4 but on a large paper sheet. They write down what they notice : the children who have aligned their pencils, by more or less parting them and lighting them from behind, immediately note that the shades " deviate towards the end ", more especially as the lamp approaches the pencils (exhibit 4a). They also see that while moving the lamp away, the shades " straighten out " but without being able " to get to do it, because the lamp is not enough strong and that one does not have enough place to move back again ". Ask them which source of light could be powerful and distant enough to check if the shades will be able " to straighten up completely " . At least one of them will end up thinking of the sun!


Note : It is possible (but not sure) that the pupils notice that while moving away the lamp, shades straighten up . In the same way, one can ask the pupils if it is possible to obtain parallel shades. Once again, an anticipation sentence is interesting before experimenting (it would temporarily be necessary to take away the flashlights).
If the idea of the sun appears, so much the better, but do not validate it. Keep it like an assumption. " Some think that with the sun, one will obtain parallel shades, what do the others think about it?... " If the idea does not appear, the teacher will ask the question : " how do you think that the shades will be with the sun?". That will make it possible to introduce the following experimentation.

 

 

Outside experimentation
The pupils reinstall their pencils under the sun. Provided that objects are almost parallel (but not inevitably vertical), and that the ground is plane in that place (but not inevitably horizontal) they note that the shades seem " to have been completely straightened up " (exhibit 4b). The children having answered well the n°4 question of the quiz will perhaps remember the " parallel " word. How to check this parallelism? Some will propose to measure the spacing of the shades at their base and their end, " but only if the pencils have the same height", conditions which one will seek to obtain as well as possible, just as the parallelism of the pencils with one another. The installation will be done on a large paper sheet on which one will trace the shade of the pencils carefully, in order to carry out measurements once returned in class.


Measurements and interpretations
Measurements once carried out and compared, by admitting differences not exceeding the half centimetre per excess or defect, the pupils will show probable parallelism from the shades. Before they can deduce parallelism from the solar rays, they will have to make certain observations during two other simulations, initially with a flashlight, then with the sun.


New observations
First of all, how to see why the shades diverge with a flashlight? Remembering the sketch carried out on the graph paper, a few pupils will undoubtedly propose to materialize with string the way of the luminous rays on the basis of the lamp, passing on the point of each pencil, and leading at the end of their shade (practically, it will be necessary to seek the means of reducing the parasitic shades to the minimum generated by the strings on the level of the lamp glass and the end of the shades). The children will note that " it is because of the deviated strings that the shades also deviate " (exhibit 5a).

 

The crafty one will certainly add : " But then, with the Sun, the strings should be parallel! " (exhibit 5b). Of course, they will check that on the spot and will deduce from it that the solar rays must themselves be parallel.

 

Hard copies

The children will illustrate those discoveries by drawings and captions.

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Notion de rayons divergents et de rayons parallèles

 

Simulation

L'enseignant expose la situation : plusieurs crayons vont être dressés en ligne sur la table et une lampe de poche va les éclairer par derrière , puis demande aux élèves d'anticiper : que va-t-il se passer lorsque vous allumerez la lampe?  (les lampes n'ont pas encore été distribuées).


Note : Ce moment d'anticipation permet au maître d'évaluer où en sont ses élèves du point de vue de la propagation rectiligne, et aux élèves de bien prendre conscience de leur manière de raisonner. Si, après vérification, l'expérience invalide la prévision, les élèves comprendront sans doute mieux l'origine de leur erreur.


On distribue à chaque groupe d'élèves les lampes de poche. Cette fois, avec leur lampe électrique, les élèves éclairent plusieurs crayons installés comme sur la figure 4 mais sur une grande feuille de papier. Ils notent ce qu’ils remarquent de particulier : les enfants qui ont à peu près aligné leurs crayons, en les écartant plus ou moins et en les éclairant par derrière, notent tout de suite que les ombres “ s’écartent vers le bout ”, cela d’autant plus que la lampe se rapproche des crayons (figure 4a). Ils voient aussi qu’en éloignant la lampe, les ombres “ se redressent ” mais sans pouvoir “ y arriver tout à fait, parce que la lampe n’est pas assez forte et qu’on n’a pas assez de place pour reculer encore ”. Demandez-leur quelle source de lumière pourrait être assez puissante et assez éloignée pour vérifier si les ombres vont pouvoir se “ redresser tout à fait ” : il y en aura bien un qui finira par penser au Soleil !
 

Note: Il est possible (mais pas certain) que les élèves remarquent qu'en éloignant la lampe, les ombres se redressent. De la même manière, on peut demander aux élèves s'il est possible d'obtenir des ombres parallèles. Là encore, une phase d'anticipation est intéressante avant expérimentation (il faudrait momentanément retirer les lampes de poche). Si l'idée du Soleil apparaît, tant mieux, mais ne pas la valider. La garder comme hypothèse. "Certains pensent qu'avec le Soleil, on obtiendra des ombres parallèles, qu'en pensent les autres ?..." Si l'idée n'apparaît pas, le maître posera la question : "comment pensez-vous que seront les ombres avec le Soleil ?". Cela permettra d'introduire l'expérimentation suivante.

 

Expérimentation à l’extérieur
Les élèves réinstallent leurs crayons au soleil. A condition que les objets soient quasiment parallèles entre eux (mais pas forcément verticaux), et que le sol soit plan à cet endroit (mais pas forcément horizontal) ils constatent que les ombres ont l’air de s’être “ tout à fait redressées ” (figue 4b). Les enfants ayant bien répondu à la question n°4 du questionnaire-test se souviendront peut-être du mot “ parallèle ”. Comment vérifier ce parallélisme ? Certains proposeront de mesurer l’écartement des ombres à leur base et à leur extrémité, “ mais seulement si les crayons ont bien la même hauteur ”, conditions que l’on cherchera à obtenir du mieux possible, de même que le parallélisme des crayons entre eux. L’installation se fera sur une grande feuille de papier sur laquelle on tracera soigneusement l’ombre des crayons, afin de procéder aux mesures une fois revenus en classe.
 

Mesures et interprétations
Les mesures une fois effectuées et comparées, en admettant des différences n’excédant pas le demi centimètre par excès ou par défaut, les élèves concluront au parallélisme probable des ombres. Avant qu’ils ne puissent en déduire le parallélisme des rayons solaires, ils devront faire certaines observations lors de deux autres simulations, d’abord avec une lampe électrique, puis au soleil.


Nouvelles observations
Tout d’abord, comment voir pourquoi les ombres divergent avec une lampe électrique ? Se souvenant du croquis exécuté sur le papier millimétré, des élèves proposeront sans doute de matérialiser avec de la ficelle le trajet des rayons lumineux partant de la lampe, passant sur la pointe de chaque crayon, et aboutissant à l’extrémité de leur ombre (côté pratique, il faudra chercher le moyen de réduire au minimum les ombres parasites crées par les ficelles au niveau du verre de la lampe et à l’extrémité des ombres). Les enfants constateront que “ c’est parce que les ficelles s’écartent que les ombres s’écartent aussi ” (figure 5a).

 

Des petits malins ajouteront certainement : “ “ Mais alors, avec le Soleil, les ficelles devraient être parallèles ! ” (figure 5b). Ils iront bien sûr vérifier cela sur place et en déduiront que les rayons solaires doivent eux-mêmes être parallèles.
 

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Noción de rayos divergentes y rayos paralelos

 

Simulación
Exponga la situación diciendo: "colocaremos varios lápices verticalmente y en línea recta sobre la mesa y los iluminaremos por detrás con una linterna". Luego pídales a los alumnos que se imaginen qué ocurrirá cuando se encienda la linterna (no distribuya todavía las linternas).


Nota: Gracias a este momento de anticipación, Usted podrá evaluar qué han interiorizado los alumnos en cuanto a la propagación rectilínea y ellos, por su parte, tomarán conciencia de su propia forma de razonar. Si, después de comprobarlo, sucede que la previsión de los alumnos era falsa, éstos entenderán quizás mejor el motivo de su error.


Distribuya ahora las linternas entre los grupos de alumnos. Esta vez, con su linterna, los alumnos iluminarán varios lápices colocados como en la figura 4 sobre una gran hoja de papel. Los alumnos observan lo que ocurre. Aquellos cuyos lápices se encuentran relativamente bien alineados y algo separados entre sí verán enseguida que, iluminándolos por detrás, las sombras "se separan hacia la punta", y que cuanto más se acerca la linterna de los lápices más se separan las sombras (figura 4a).
Notarán igualmente que alejando la linterna, las sombras "se enderezan" aunque "no lo logran del todo, porque la linterna no es suficientemente potente y porque no hay suficiente lugar como para retroceder todo lo necesario". Pregúnteles qué fuente de luz podría ser lo suficientemente potente y alejada como para comprobar si las sombras pueden "enderezarse totalmente". ¡Alguno terminará pensando en el sol!
 

Nota: Es posible, aunque no seguro, que los alumnos observen que, alejando la linterna, las sombras se enderezan. Por otra parte, puede preguntarles a los alumnos si se pueden producir sombras paralelas. Aquí también es interesante prever una fase de anticipación, antes de pasar a la experimentación (piense en quitarles momentáneamente a los alumnos las linternas...). Si la idea del sol aparece, mejor, pero no la valide. Guárdela como hipótesis. "Algunos de vosotros piensan que con el sol obtendríamos sombras paralelas; ¿qué creéis los demás?" Si la idea del sol no aparece, pregunte: "¿cómo creéis que serán las sombras con el sol? Esta pregunta servirá de introducción para la experiencia siguiente.

 

Experiencia al aire libre
Los alumnos instalan ahora los lápices al sol. Mientras los objetos estén casi paralelos entre sí (aunque no necesariamente verticales) y mientras el suelo sea plano en ese sitio (aunque no necesariamente horizontal), los alumnos observarán que las sombras parecen haberse "enderezado por completo" (figura 4b). Quienes han contestado correctamente a la pregunta n° 4 del cuestionario (test previo) tal vez recuerden la palabra empleada: paralelo. ¿Cómo hacer para comprobar ese paralelismo? Algunos sugerirán que se puede medir la separación que existe entre las sombras a la altura de la base y de la punta, "pero esto es valido solamente si los lápices tienen todos la misma altura". Trataremos, pues, de conseguir que los objetos cumplan con este requisito lo mejor posible y que mantengan un paralelismo perfecto entre sí. Haremos la instalación en una gran hoja de papel en la que trazaremos cuidadosamente la sombra de los lápices para que, de vuelta al aula, pasemos a las medidas.
 

Medidas e interpretaciones
Una vez realizadas y comparadas las medidas, y admitiendo diferencias que no excedan el medio centímetro en más o en menos, los alumnos concluirán que el paralelismo de las sombras es probable. Antes de estar en condiciones de deducir el paralelismo de los rayos solares, tendrán que hacer, no obstante, algunas observaciones extras en dos simulaciones más, primero con una linterna y luego al sol.
 

Nuevas observaciones
En primer lugar, ¿cómo ver por qué las sombras divergen con una linterna? Si recuerdan los croquis realizados en el papel milimetrado, a algunos alumnos se les ocurrirá que se puede materializar con hilo el trayecto de los rayos de luz que salen de la linterna, pasan por la punta de cada lápiz y llegan al extremo de la sombra (desde el punto de vista práctico, habrá que encontrar la forma de reducir al mínimo las sombras parásito que crea el hilo en el cristal de la linterna y en el extremo de las sombras). Los alumnos observarán que "las sombras se separan porque los hilos se separan también" (figura 5a).

 

Y habrá algún despierto que diga seguramente que entonces "¡con el sol, los hilos tendrían que ser paralelos! (figura 5b). Por supuesto, irán por sí solos a comprobarlo en el lugar y deducirán que los rayos solares tienen que ser paralelos.

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