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Apprendre l’optique par l’expérience


Enseigner l’optique géométrique à des étudiants de première année à l’université est parfois un défi, car ce domaine de la physique est souvent considéré comme « poussiéreux ». De plus, il est souvent enseigné de manière formelle : les séances de TP ne servent souvent qu’à vérifier les lois énoncées en cours auparavant. Cependant, l’optique géométrique se prête particulièrement bien à un enseignement sous forme expérimentale. De plus, cela peut servir de manière plus générale à une introduction à la physique expérimentale.

Il y a une dizaine d’années, nous avons monté un module d’optique géométrique de L1, centré sur les expériences faites par les étudiants. Les questions et les interactions entre étudiants sont fortement encouragées, et l’expérience intervient d’abord, avant l’introduction du savoir théorique.

Ainsi, la présentation d’un concept, par exemple la réflexion totale, se fait en 3 étapes :

- L’étudiant découvre d’abord le phénomène par une ou plusieurs expériences qualitatives réalisées soit par lui-même, soit par l’enseignant. Par exemple, l’enseignant envoie un faisceau laser dans une ouverture dans le bas d’un récipient rempli d’eau. Le jet d’eau ainsi formé guide la lumière par réflexions totales successives à l’interface air/eau (voir la figure 1). Ensuite, l’étudiant observe par lui-même les réflexions totales successives dans une règle en plexiglas (voir la figure 2) et dans une fibre optique.

- Le concept physique associé (ici celui de réflexion totale) est ensuite exposé par l’enseignant. Par exemple, il présente l’application de la loi de la réfraction au cas de la réflexion totale. Il montre ainsi l’existence d’un angle limite de réflexion totale, dont il démontre l’expression.

- L’étudiant revient à l’expérience, et réalise des expériences quantitatives. Par exemple, il mesure l’angle limite de réflexion totale à l’interface plexiglas/air, à l’aide du dispositif classique utilisant un laser et un demi-cylindre de plexiglas attaché à un disque gradué (déjà utilisé pour montrer les lois de Snell-Descartes). Il en déduit l’indice du plexiglas avec son incertitude.

Figure 1. Guidage de la lumière par un jet d’eau, par réflexion totale à l’interface eau/air

Figure 2. Guidage de la lumière par réflexions totales successives dans une règle en plexiglas

Ces allers-retours entre expériences faites par les étudiants et présentation de concepts théoriques par l’enseignant ont lieu au cours de séances de cours-TP réalisées en salles de TP. S’ajoutent à cela des séances classiques de TD, alternées avec les séances de cours-TP.

Ce cours existant depuis environ 10 ans, nous avons maintenant suffisamment de recul pour juger de son intérêt. Le retour des étudiants est très positif : 90% des étudiants pensent que l’organisation du module en séances de cours-TP et de TD est bien adaptée et 70% trouvent cet enseignement intéressant.

Référence

Learning through experimenting : an original way of teaching geometrical optics
C. Even, C. Balland and V. Guillet
European Journal of Physics 37, 065707 (2016)
doi:10.1088/0143-0807/37/6/065707
Article retenu pour les Highlights 2016 de la revue European Journal of Physics.

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Catherine Even