DES ACTIVITÉS DE MODÉLISATION AVEC RAYTRACE

• Des questions qualitatives pour étudiants 
• Un devoir d'optique pour les étudiants du CAPES 
• Une activité en travaux pratiques de Terminale S 

Contrairement à d'autres logiciels où le positionnement des objets est limité, et contrairement à Cabri-géomètre qui est fondé sur des méthodes de constructions purement géométriques, RayTrace permet d'expérimenter et de découvrir les propriétés de systèmes sans avoir à faire de calculs préalables.

Dans une première série d'essais auprès d'étudiants préparant le CAPES, l'activité a été centrée sur des aspects qualitatifs : questions sur l'obtention d'images, sur des propriétés de systèmes optiques, sur des propriétés de lentilles épaisses. Ces activités ont été proposées aux étudiants après l'écrit du concours et visaient une aide pour la préparation à l'oral. Le travail était préparé sur un document hypertexte donnant accès à des aides.

Dans la seconde série d'essais, l'activité a été proposée au moment de leurs révisions d'optique en vue de l'écrit du concours. La forme adoptée a alors été celle d'un devoir comportant des aspects quantitatifs et des démonstrations sur différents systèmes, en particulier les dioptres sphériques. Le devoir était fourni sous forme papier, l'aide pour la réalisation ayant été incluse dans le fichier RayTrace.hlp accessible depuis le logiciel.

Une expérimentation a été menée en classe complète de Terminale (enseignement de spécialité). L'activité sur logiciel était couplée à une activité pratique et permettait des allers-retours entre les deux "mondes". Le texte de l'activité était intégré au fichier d'aide RayTrace.hlp, complété par des aides spécifiques.

Note : dans ce qui suit, les encadrés sur fond bleu clair correspondent aux documents fournis aux étudiants ou futurs professeurs.

 
  Des questions qualitatives pour étudiants

• Système optique : champ de pleine lumière, champ moyen, champ extrême 
• Aberrations de sphéricité 
• Aberrations chromatiques 

Nous donnons ci-dessous quelques unes des questions proposées aux étudiants. L'ensemble de l'activité et de l'aide associée est disponible au téléchargement :

Documents hypertexte (Word 97)

Optic_Intro.doc (32 Ko) Optic1b.doc (53 Ko) RT_aideb.doc (85 Ko) PAPIERG.gif  (4 Ko) BANDE1.gif  (4 Ko)

Ils sont regroupés dans le fichier téléchargeable  RT21.zip (85 Ko).

 
  Système optique : champ de pleine lumière, champ moyen, champ extrême

On considère un système afocal formé de deux lentilles convergentes L1 et L2. Le champ angulaire de ce système est l'angle formé par l'axe optique et la direction du faisceau incident limite dans l'espace objet. On doit distinguer pour être précis : le champ de pleine lumière, le champ moyen et le champ extrême. Montrer, en utilisant une source lointaine dont on fera varier l'orientation, l'existence de ces types de champ. À quel champ le graphique ci-contre correspond-il ?  Quel est l'intérêt d'ajouter une lentille convergente centrée sur le foyer commun de ce système ? Proposez une réponse, puis expérimentez…

 
  Aberrations de sphéricité

Construire un système optique épais éclairé par une source plane étendue. Montrer l'abscence de stigmatisme. Introduire un diaphragme (iris) et montrer les conditions de Gauss. La face présentée à la lumière peut être la face plane ou la face convexe. Ce choix est-il indifférent ? Si non, quel est le meilleur choix ? Comment l'expliquer simplement ?

 
  Aberrations chromatiques

 
  Un devoir d'optique pour les étudiants du CAPES

• Dioptre plan 
• Modélisation de l'œil 
• Lentille boule 

Nous donnons ci-dessous quelques unes des questions proposées aux étudiants. L'ensemble du devoir Optic3.doc (37 Ko) sous la forme d'un texte Word 97, de l'environnement (Optique3.rbb) et des fichiers nécessaires à cet environnement (*.bmp et *.rsc) ainsi que les fichiers Raytrace (*.ray) est disponible au téléchargement. Ces fichiers sont regroupés dans le fichier téléchargeable  RT22.zip (398 Ko).

Installation des fichiers : les fichiers concernant l'environnement (*.bmp, *.rsc et Optique3.rbb) doivent être placés dans le même répertoire que Raytrace.exe

Le fichier d'aide "générale" est Aide_RT_2001.hlp. Ce fichier pour être appelé depuis l'aide de Raytrace doit être renommé Raytrace.hlp (et placé dans le même répertoire que Raytrace.exe) pour remplacer le fichier d'aide Raytrace.hlp fourni avec le logiciel (fichier d'origine qu'on aura préalablement sauvegardé).

 
  Dioptre plan

 
  Modélisation de l'œil

 
  Lentille boule

On considère une sphère d'indice n > 1, de rayon R et de centre O. Une telle lentille peut être considérée comme constituée de 2 dioptres sphériques. 1. Écrire les relations de conjugaison entre un point-objet A et son image A', la boule étant plongée dans l'air. 2. Expérimenter sur le modèle (prendre une lentille boule dans Divers) et vérifier votre relation. Produire une copie d'écran annotée témoignant de cette vérification. 3. Pourquoi peut-on considérer que la lentille mince équivalente est en O ? En déduire la distance focale de celle-ci.

 
  Une activité en travaux pratiques de Terminale S

L'activité s'est déroulée sur 9 séances de cours et 1 séance d'exercices. Elle a concerné deux groupes d'élèves de terminale de la spécialité physique de deux classes différentes, en 1999-2000 et en 2000-2001.

Cette expérimentation a permis la création d'un fichier intégré à la place de l'aide du logiciel RayTrace (fichier .hlp) composé de trois parties :

• Un guide d'activité sur 9 séances recouvrant la majeure partie du programme. Ce guide propose les simulations et les expériences que doivent réaliser les élèves. Dans certains cas, la simulation illustre une notion découverte pendant l'expérience ; dans d'autres cas elle précède la manipulation pour mettre en évidence un protocole expérimental par exemple.
  Dans ce plan détaillé, présent en permanence à l'écran, l'élève rencontre :
  - des descriptions (oeil, appareils ...)
  - des définitions
  - des expériences à réaliser, avec un questionnement relatif aux résultats obtenus
  - des simulations à réaliser, avec aussi un questionnement relatif aux résultats obtenus
  - des liens renvoyants vers les aides décrites ci-dessous (aides en rapport direct avec le problème à résoudre)
  L'élève retrouve ce plan dans un polycopié à compléter permettant des prises de notes rapides et organisées ; cette méthode donne au professeur la possibilité de construire des synthèses en commun tout en laissant une certaine autonomie aux élèves.

• Une aide technique sur la manipulation du logiciel : des indications concernant la prise en main du logiciel sont regroupées dans une "aide générale de Raytrace". Ces indications sont également accessibles directement depuis le guide d'activité lorsque qu'une situation nouvelle nécessitant de l'aide apparaît.

• Une troisième rubrique, présente dans le sommaire, regroupe toutes les notions d'optique géométrique nécessaires à la compréhension des activités proposées. Pour permettre un traveil en autonomie, l'accès à ces connaissances de référence est également proposé dans le guide d'activités lorsque cela est nécessaire.

Voici, ci-dessous, un extrait du texte dont disposaient les élèves à l'écran au cours de la quatrième séance, sur la leçon concernant les associations de lentilles. Dans les encadrés blancs figurent les fichiers qui leur étaient proposés (à charger) ou qu'ils devaient réaliser.

L'objectif de cette séance est la construction de l'image d'un objet à travers un système formé de 2 lentilles minces convergentes. On étudie le cas particulier de 2 lentilles accolées, puis le cas général : l'image de l'objet à travers la première lentille joue le rôle d'un objet pour la seconde lentille, ce qui permet de construire l'image finale.

La simulation permet de mieux comprendre le passage, pour cette image intermédiaire, de son rôle d'objet réel à celui d'objet virtuel pour la deuxième lentille selon sa position.

Les aller-retours entre l'expérience et la simulation permettent, semble-t-il, de faire un lien entre le modèle manipulé (sur l'écran) et les images observées (ou non) sur le banc d'optique.

• Le fichier d'aide "générale" Aide_RT.hlp est présent dans le fichier Aide_RT.zip à télécharger (359 Ko). Pour être appelé depuis l'aide de Raytrace il doit être renommé Raytrace.hlp (et placé dans le même répertoire que Raytrace.exe) afin de remplacer le fichier d'aide fourni avec le logiciel (Raytrace.hlp, fichier d'origine qu'on aura préalablement sauvegardé).

• Les documents au format doc (Word 97) ci-dessous correspondent aux documents du professeur et aux documents élèves. Pour chaque séance sont aussi fournis les fichiers *.ray nécessaires.

INRP-TECNE
Unité Informatique et enseignement
04/07/2001