Ces expériences de physique amusante sont faciles à réaliser. Attention, ne jamais regarder directement le soleil ! Il est nécessaire de bénéficier d’un jour ensoleillé pour réaliser l’expérience.
Matériel
- des feuilles petits carreaux (de préférence)
- un mètre ruban
- une paire de ciseaux
- un grand carton (qui servira d’écran)
Protocole
Scotcher une feuille de papier petits carreaux sur le grand carton. Réaliser trois ouvertures de taille identique (de quelques millimètres) et de formes différentes sur une autre feuille de papier petit carreaux. Pour ce faire, on peut faire des petits dessins des ouvertures à réaliser, plier le papier en deux puis découper à l’aide d’une paire de ciseaux (il faut bien sûr que la pliure corresponde à un plan de symétrie des ouvertures).
Positionner le grand carton sur le sol, la face avec la feuille de papier petits carreaux vers le soleil, puis incliner le carton par rapport à l’horizontal en plaçant un objet en-dessous sur un côté, en essayant de rendre le plan du carton perpendiculaire à l’axe soleil/carton.
Positionner la feuille perforée des trois ouvertures parallèlement au carton, à une vingtaine de centimètres, le plan de la feuille restant parallèle au carton. Observer les images sur le carton. Eloigner la feuille perforée et observer l’évolution des images sur le carton. On pourra éloigner la feuille à plus d’un mètre du grand carton.
Procéder de même en effectuant cette fois sur une feuille de papier petits carreaux deux ouvertures de tailles différentes. On pourra par exemple avoir une rapport des surfaces de deux.
Observations
Lorsque la feuille est proche de l’écran (à une vingtaine de centimètres), on observe des images de formes identiques) à celles des ouvertures et de même taille. En revanche, lorsque la feuille est loin de l’écran (par exemple à plus d’un mètre), les images observées sont identiques, circulaires et quasiment de même luminosité. La taille de ces dernières dépend de la position de la feuille. Plus la feuille est éloignée de l’écran, plus la taille des images augmente.
On peut faire le même type d’observations avec la feuille munie de deux ouvertures de tailles différentes, à ceci près que lorsque la feuille est éloignée de l’écran (à plus d’un mètre), les images observées sont circulaires, quasiment de même taille mais de luminosités différentes (la grande ouverture donnant un image plus lumineuse).
Que se passe-t-il ?
Pour comprendre les observations précédentes, il est utile de considérer deux cas limites : le cas d’une ouverture de taille finie éclairée par un soleil, supposé ponctuel et éloigné à l’infini et le cas d’une ouverture ponctuelle (de taille quasi-nulle) éclairée par le soleil, objet très éloigné mais de dimension non nulle.
Dans le premier cas, on observe sur l’écran une images dont la taille et la forme correspondent exactement aux caractéristiques de l’ouverture sur la feuille.
Dans le deuxième cas, on observe l’image renversée du soleil. Il s’agit du principe de fonctionnement d’un sténopé. La taille b de l’image est alors donnée par le produit i*D, où i est le diamètre angulaire du soleil (en radians) et D la distance entre l’ouverture et l’écran.
Dans la réalité, les deux phénomènes sont présents et l’image observée sur l’écran dépend à la fois de la forme de l’ouverture et de la taille du soleil. Cependant lorsque la taille a de l’ouverture est négligeable devant b, c’est-à-dire lorsque la taille de l’image dans le premier cas est négligeable devant la taille de la tâche lumineuse dans le second cas, la deuxième situation domine et l’image observée est celle du soleil. Compte tenu de la valeur de b, cette situation correspond encore à la condition où la distance D entre l’ouverture et l’écran est très supérieures au rapport a/i. Dans le cas contraire, où D<<a/i, c’est le premier effet qui prédomine.
Dans la nature
Pour observer l’image du soleil, il convient donc de se mettre dans la deuxième situation avec D>>a/ i. Sachant que l’ouverture angulaire i du soleil est de l’ordre 9 mrad, si on effectue l’application numérique pour une ouverture de l’ordre du millimètre, on trouve qu’il faut se placer à une distance de l’ordre du mètre pour réaliser l’image du soleil, si la taille de l’ouverture est de l’ordre de centimètre, la distance soit être de 10 m…etc..
Dans la nature, on peut facilement trouver une telle situation lorsque l’on se promène sous des arbres assez denses, présentant quelques ouvertures. Compte tenu des ordres de grandeur précédents, les conditions sont réunies pour observer des images du soleil à travers les petites ouvertures laissées par le feuillage des arbres.
Observation des images identiques du soleil sur le sol
Pour aller pl
On peut ainsi observer plusieurs images du soleil comme sur la photographie ci-dessus. Malgré des formes d’ouvertures diverses dans le feuillage, on peut observer que les images sur le sol sont de forme quasi-identique et de luminosités différentes, comme illustré dans les expériences décrites précédemment. On peut toutefois noter que les images paraissent elliptiques car le plan du sol n’est pas perpendiculaire à l’axe soleil-ouverture. En reprenant les expériences précédentes, vous pouvez comprendre ce dernier constat, en choisissant la distance D pour observer les images du soleil et en modifiant l’inclinaison du plan de l’écran (grâce à l’objet situé sous l’écran).
Bonne promenade en forêt !