Réfraction et lentilles : plan de leçon avec simulations
Mis à jour le 2026-10-02
Ce plan de leçon sur la réfraction et les lentilles utilise deux simulations gratuites pour que les élèves mesurent la façon dont la lumière se courbe, trouvent l'indice de réfraction d'un matériau inconnu, piègent la lumière par réflexion totale, puis voient comment une lentille utilise la même déviation pour former une image. Pas de salle obscurcie, pas de boîtes à rayons, pas de rapporteurs qui glissent. Tout est prêt à l'emploi : objectifs d'apprentissage, préparation, prédictions, une activité pas à pas avec les mesures que les élèves doivent obtenir, une série de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement et des idées de différenciation. Chaque nombre provient des modèles des simulations elles-mêmes.
La leçon en un coup d'œil
- Niveau : de la 3e à la 1re (14 à 17 ans), physique-chimie ou physique.
- Durée : une séance de 60 minutes, ou deux plus courtes (réfraction, puis lentilles), plus un prolongement facultatif de 15 minutes.
- Prérequis : les angles mesurés par rapport à la normale, la touche sinus de la calculatrice, la propagation rectiligne de la lumière.
- Format : en binômes sur ordinateurs portables ou tablettes, ou classe entière avec un seul vidéoprojecteur.
- Simulations : Rayons lumineux – réfraction, réflexion totale et prismes et Lentilles et miroirs sphériques – construction de rayons.
Objectifs d'apprentissage
À la fin de la leçon, les élèves savent :
- Décrire comment un rayon se rapproche de la normale quand il entre dans un milieu d'indice de réfraction plus élevé, et s'en écarte quand il en sort.
- Utiliser la loi de Snell-Descartes, n₁·sin i = n₂·sin r, pour calculer un indice de réfraction à partir d'angles mesurés.
- Expliquer la réflexion totale et trouver un angle limite.
- Utiliser une construction de rayons et 1/f = 1/d + 1/d′ pour décrire l'image formée par une lentille convergente.
- Expliquer pourquoi une lentille faite d'un matériau plus dense a une distance focale plus courte.
Ce que font les simulations
Rayons lumineux (réfraction). L'écran Intro montre un laser qui frappe la surface de séparation entre un milieu du haut (n₁) et un milieu du bas (n₂). Chacun peut être Air (1,00), Eau (1,33), Verre (1,50), Mystère A ou Mystère B. Faites glisser le laser, ou utilisez le curseur et les boutons − et +, pour régler l'angle d'incidence de 0° à 89° par pas de 1°. L'affichage indique n₁ et n₂, les angles i et r à 0,1° près, l'angle limite, et le pourcentage de lumière réfléchie et transmise. Pour un milieu mystère, n et l'angle limite affichent « ? » tant que personne n'a appuyé sur Vérifier le mystère. Les écrans Prismes et Outils ajoutent la dispersion, une sonde d'intensité lumineuse et une vue en ondes.
Lentilles et miroirs sphériques. L'écran Lentille règle une lentille convergente ou divergente à partir de son rayon de courbure R (20–100 cm) et de son indice de réfraction n (1,3–1,9), avec f = R / (2(n − 1)). Faites glisser la flèche rouge de l'objet, ou utilisez le curseur d, pour régler la distance de l'objet de 5 à 150 cm. La ligne d'état donne f, d, la distance de l'image d′, le grandissement k et le type d'image. Des cases à cocher ajoutent les trois rayons particuliers (activés par défaut), les rayons marginaux, un second point, une règle et Source ponctuelle + écran.
Deux détails à connaître avant la classe :
- L'angle de réfraction s'affiche même pour les milieux mystères. Seuls n et l'angle limite sont masqués.
- Le grandissement a un signe. Dans la simulation des lentilles, un k négatif indique une image renversée et un k positif une image droite.
Matériel et préparation avant la classe
Matériel : un appareil par binôme (ou un vidéoprojecteur), les tableaux ci-dessous sur papier, et une calculatrice avec sinus et sinus inverse.
Préparation (10 minutes, une seule fois) :
- Ouvrez la simulation des rayons lumineux. Les valeurs par défaut sont celles qu'il vous faut : écran Intro, air en haut, eau en bas, 45°, rapporteur affiché.
- Cliquez sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Physique · 1re B ». Faites de même pour la simulation des lentilles.
- Facultatif : dans l'onglet Questions de la simulation des rayons lumineux, saisissez la série de questions ci-dessous et associez-la au lien. Les deux prédictions verrouillent la simulation tant que chaque élève ne s'est pas engagé.
- Publiez les deux liens, ou ouvrez le premier en mode présentation et montrez le QR code.
Les indices des milieux mystères ne figurent pas dans le panneau des valeurs de départ, donc l'étape 3 fonctionne avec un lien ordinaire.
Déroulé de la leçon
1. Accroche et prédictions (6 minutes)
Demandez : « Pourquoi une paille semble-t-elle cassée dans un verre d'eau ? » Recueillez les idées, puis faites s'engager les élèves sur deux prédictions, sur papier ou sur le lien :
- P1. « Un laser passe de l'air à l'eau sous 45°. Dans l'eau, que fait le rayon ? »
- P2. « La lumière passe du verre à l'air. Vous augmentez lentement l'angle d'incidence. Que devient le rayon qui sort dans l'air ? »
Beaucoup d'élèves pensent que la lumière s'écarte de la normale en entrant dans l'eau, et peu s'attendent à voir disparaître le rayon sortant. Ne corrigez encore personne. Le guide Prédire–Observer–Expliquer explique pourquoi l'engagement compte.
2. La loi de Snell-Descartes à partir des mesures (12 minutes)
Les binômes gardent l'air en haut et l'eau en bas, règlent chaque angle avec le curseur ou les boutons + et −, et relèvent r sur l'affichage. La dernière colonne est pour vous.
| i (°) | r (°) | Réfléchi | sin i ÷ sin r |
|---|---|---|---|
| 10 | 7,5 | 2 % | 1,33 |
| 20 | 14,9 | 2 % | 1,33 |
| 30 | 22,1 | 2 % | 1,33 |
| 45 | 32,1 | 3 % | 1,33 |
| 60 | 40,6 | 6 % | 1,33 |
| 80 | 47,8 | 35 % | 1,33 |
Le rayon se rapproche toujours de la normale, et le rapport sin i ÷ sin r reste à 1,33, l'indice de réfraction de l'eau. C'est la loi de Snell-Descartes avec n₁ = 1. Vérifiez P1 maintenant.
Montrez aussi la colonne Réfléchi. À 80°, sous une forte incidence, 35 % de la lumière rebondit, ce qui explique l'éblouissement d'un lac au coucher du soleil.
3. Identifier les matériaux mystères (10 minutes)
Les binômes choisissent Mystère A comme milieu du bas, mesurent r pour trois angles et calculent n = sin i ÷ sin r. Ils recommencent ensuite avec Mystère B et appuient sur Vérifier le mystère.
| i (°) | r pour Mystère A (°) | r pour Mystère B (°) |
|---|---|---|
| 30 | 24,6 | 18,2 |
| 45 | 36,1 | 26,2 |
| 60 | 46,2 | 32,8 |
| n | 1,20 | 1,60 |
Chaque angle donne n à 0,01 près de la vraie valeur. Demandez : « Quel matériau ralentit le plus la lumière ? » Mystère B, parce qu'un n plus élevé signifie une vitesse plus faible, v = c/n. L'écran Outils montre ces vitesses, par exemple 2,26 × 10⁸ m/s dans l'eau et 2,00 × 10⁸ m/s dans le verre.
4. Réflexion totale (10 minutes)
Les binômes placent le Verre en haut et l'Air en bas, de sorte que la lumière sort maintenant du milieu le plus dense. Ils augmentent i lentement.
| i (°) | 20 | 30 | 40 | 41 | 42 |
|---|---|---|---|---|---|
| r (°) | 30,9 | 48,6 | 74,6 | 79,8 | aucun |
| Réfléchi | 4 % | 6 % | 25 % | 38 % | 100 % |
Le rayon s'écarte de la normale, le rayon réfléchi se renforce, et à 42° le rayon réfracté disparaît : c'est la réflexion totale. L'affichage donne l'angle limite, 41,8°. Vérifiez P2 maintenant.
Comparez ensuite d'autres couples. De l'eau vers l'air, l'angle limite est de 48,8°, et du verre vers l'eau de 62,5°. Plus le rapport n₂/n₁ est petit, plus l'angle limite est petit, ce qui explique pourquoi les diamants et les fibres optiques piègent si bien la lumière.
5. De la réfraction aux lentilles (17 minutes)
Ouvrez le lien des lentilles. Les valeurs par défaut sont une lentille convergente avec R = 40 cm et n = 1,5, donc f = 40,0 cm, et l'objet à d = 60 cm. Les binômes déplacent l'objet et relèvent la ligne d'état :
| d (cm) | d′ (cm) | k | Image |
|---|---|---|---|
| 120 | 60,00 | −0,50 | réelle, renversée, réduite |
| 80 | 80,00 | −1,00 | réelle, renversée, de même taille |
| 60 | 120,00 | −2,00 | réelle, renversée, agrandie |
| 50 | 200,00 | −4,00 | réelle, renversée, agrandie |
| 40 | à l'infini | aucun | pas d'image |
| 30 | 120,00 | 4,00 | virtuelle, droite, agrandie |
| 20 | 40,00 | 2,00 | virtuelle, droite, agrandie |
Les élèves vérifient une ligne avec 1/f = 1/d + 1/d′. Pour d = 60 cm : 1/d′ = 1/40 − 1/60 = 1/120, donc d′ = 120 cm. À d = 40 cm, l'objet est au foyer et les rayons ressortent parallèles.
Cochez ensuite Source ponctuelle + écran. Avec d = 60 cm, l'écran démarre à 120 cm et la lumière tombe en un point net. Rapprochez ou éloignez l'écran en le faisant glisser et la tache grandit. Placez l'objet à d = 30 cm : aucune position de l'écran ne donne un point, parce qu'une image virtuelle ne peut pas être recueillie sur un écran.
Reliez enfin les deux simulations. Faites passer le n de la lentille de 1,5 à 1,8 : f tombe de 40,0 cm à 25,0 cm. Demandez : « Pourquoi un verre plus dense donne-t-il une lentille plus puissante ? » Il dévie davantage chaque rayon à chaque surface, exactement comme le matériau mystère d'indice plus élevé à l'étape 3.
6. Vérification de sortie (5 minutes)
Utilisez les questions 3 à 5 de la série ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2.
Série de questions pour cette leçon
Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation des rayons lumineux. La question 5 utilise le lien des lentilles, donc publiez les deux liens ensemble. Consignes pour les élèves suggérées : « Utilisez l'écran Intro. Changez l'angle avec les boutons + et −. Lisez i et r sur l'affichage. »
1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation
- Question : « Un laser passe de l'air à l'eau sous 45°. Dans l'eau, que fait le rayon ? »
- Options : Se rapproche de la normale (correct) / S'écarte de la normale / Continue tout droit / Se réfléchit entièrement
- Explication : « La lumière ralentit dans l'eau, qui a un indice de réfraction (1,33) plus élevé que celui de l'air (1,00), donc le rayon se rapproche de la normale. La loi de Snell-Descartes donne sin r = sin 45° ÷ 1,33, donc r = 32,1°, plus petit que i. »
2. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation
- Question : « La lumière passe du verre à l'air. Vous augmentez lentement l'angle d'incidence. Que devient le rayon qui sort dans l'air ? »
- Options : Il se rapproche de la normale / Il reste au même angle que le rayon incident / Il s'écarte de plus en plus de la normale, puis disparaît (correct) / Il disparaît dès que l'angle dépasse 0°
- Explication : « En quittant le verre pour l'air, le rayon s'écarte de la normale. Quand i augmente, r atteint 90°. Au-delà de l'angle limite, 41,8° du verre vers l'air, il n'y a plus de rayon réfracté du tout et toute la lumière se réfléchit dans le verre : c'est la réflexion totale. »
3. Nombre · Après la simulation
- Question : « Placez l'Air en haut et Mystère A en bas. Mesurez r pour i = 30°, 45° et 60°, et calculez l'indice de réfraction de Mystère A. »
- Réponse : 1,20, marge d'erreur ± 0,03, sans unité
- Explication : « Avec l'air en haut, n = sin i ÷ sin r. À 30°, l'affichage donne r = 24,6°, donc n = 0,500 ÷ 0,416 ≈ 1,20. Les autres angles donnent la même valeur. Mystère A dévie moins la lumière que l'eau (1,33) et le verre (1,50). »
4. Nombre · Après la simulation
- Question : « Placez Mystère B en haut et l'Air en bas. Trouvez l'angle limite en changeant i par pas de 1°. »
- Réponse : 38,7, marge d'erreur ± 1, unité °
- Explication : « À 38°, un rayon réfracté sort encore de Mystère B, à 39° il disparaît, donc l'angle limite se situe entre les deux. Avec sin c = 1 ÷ 1,60, c = 38,7°. Mystère B a un indice plus élevé que le verre, donc son angle limite est plus petit que les 41,8° du verre. »
5. Nombre · Après la simulation
- Question : « Dans la simulation des lentilles, gardez la lentille convergente avec f = 40 cm et placez l'objet à d = 120 cm. À quelle distance de la lentille se trouve l'image ? »
- Réponse : 60, marge d'erreur ± 1, unité cm
- Explication : « 1/d′ = 1/f − 1/d = 1/40 − 1/120 = 2/120, donc d′ = 60 cm. L'image est réelle, renversée et deux fois plus petite que l'objet (k = −0,50), parce que l'objet est plus loin que 2f de la lentille. »
Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation pour que les élèves puissent comparer. Le guide de l'évaluation formative explique comment lire les résultats entre classes.
Prolongement : couleur et lentilles divergentes
Dispersion (8 minutes). Sur l'écran Prismes de la simulation des rayons lumineux, la lumière blanche se sépare en six rayons colorés. L'affichage montre pourquoi : le verre du prisme a n = 1,537 pour la lumière violette (410 nm) mais n = 1,491 pour la lumière rouge (650 nm), donc le violet est plus dévié. Les élèves font glisser et tourner le prisme pour obtenir le spectre le plus large possible.
Lentille divergente (7 minutes). De retour sur l'écran Lentille, appuyez sur Divergente. Avec R = 40 cm et n = 1,5, f = −40,0 cm. À d = 60 cm, l'image est virtuelle, droite et plus petite : d′ = 24,00 cm, k = 0,40. À d = 20 cm, d′ = 13,33 cm et k = 0,67. Demandez : « Une lentille divergente peut-elle donner une image réelle d'un objet réel ? » Non : chaque ligne donne une image virtuelle, droite et plus petite.
L'écran Miroir de la même simulation traite les miroirs concaves et convexes si vous voulez une troisième séance.
Différenciation
Soutien :
- Donnez les tableaux avec les angles déjà remplis, pour que les élèves n'aient qu'à lire et noter.
- À l'étape 2, n'utilisez que 30°, 45° et 60°, et donnez les sinus sur la feuille.
- Donnez des amorces de phrases : « En entrant dans un milieu plus dense, le rayon… » et « Au-delà de l'angle limite… »
Approfondissement :
- Prédire chaque r du tableau de l'étape 2 avec la loi de Snell-Descartes avant de mesurer.
- Trouver l'angle limite de Mystère A vers l'air sans appuyer sur Vérifier le mystère (56,4°), puis le confirmer.
- Dans la simulation des lentilles, trouver le R qui donne f = 20 cm avec n = 1,5 (20 cm), et expliquer le résultat avec f = R / (2(n − 1)).
Élèves allophones : les simulations sont disponibles en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion reste en français.
Lien avec les référentiels
Cette leçon s'inscrit dans l'unité sur la lumière et l'optique d'un cours de physique du lycée, et dans les thèmes de la réfraction et des lentilles du GCSE Physics (Royaume-Uni). La discussion sur v = c/n à l'étape 3 touche l'attente NGSS HS-PS4-1 (vitesse des ondes dans différents milieux ; normes américaines), mais l'optique géométrique n'a pas d'attente de performance NGSS dédiée, donc nous n'en revendiquons pas davantage. La leçon mobilise en revanche l'analyse et l'interprétation de données ainsi que l'utilisation des mathématiques et de la pensée computationnelle.
Pour d'autres idées, consultez des idées de leçons de physique interactives. Si vous voulez les deux labos sur une même page de classe, intégrer des simulations dans Google Sites prend justement ces deux simulations comme exemple. Pour les routines générales, consultez comment utiliser des simulations interactives en classe.
Questions fréquentes
Pourquoi les rapports de la loi de Snell-Descartes de mes élèves donnent-ils 1,32 ou 1,34 ?
L'affichage arrondit r à 0,1°, donc aux petits angles le rapport peut dériver à la deuxième décimale : 5° donne 1,32. Des angles de 10° et plus, ou la moyenne de trois angles, ramènent à 1,33.
Existe-t-il une seule simulation pour la réfraction et les lentilles ?
Oui. Réfraction, réflexion totale et lentilles place un panneau de loi de Snell-Descartes et un panneau de lentille sur un même écran. Elle convient à une leçon de révision rapide ; les deux simulations de ce plan donnent davantage à mesurer.
Les élèves peuvent-ils faire cette leçon sur téléphone ?
Oui. Les élèves ouvrent les liens sans compte. Les boutons + et − facilitent le réglage d'angles exacts sur un écran tactile ; la lecture de la ligne d'état des lentilles est plus facile sur tablette ou ordinateur portable.