Expériences STEM et matériaux optiques

Introduction

Dans cette section, nous présentons plusieurs expériences impliquant des matériaux optiques. Ces expériences sont conçues pour être simples et attrayantes, tout en fournissant une base solide sur la façon dont la lumière interagit avec les matériaux. Vous pouvez tenter des expériences telles que la construction d'un petit spectroscope, l'étude des figures de diffraction ou l'étude de la courbure de la lumière à l'aide de matériaux transparents. Chaque expérience est l'occasion de découvrir les principes de base de la lumière, de la couleur et de l'optique.

Expériences STEM et matériaux optiques

Examinons maintenant une expérience populaire qui consiste à créer un simple spectroscope pour observer le spectre de la lumière.

Contexte :

Lesinstruments optiques ont une longue tradition en science. Le phénomène de la division de la lumière en un spectre a été observé par de nombreux scientifiques de la première heure. Aujourd'hui, le spectroscope simple illustre ces principes de manière tangible.

Objets :

Pour ce projet, vous aurez besoin d'un tube en carton (provenant d'un rouleau d'essuie-tout), d'un disque compact dont la couche réfléchissante a été retirée ou d'un réseau de diffraction flexible, de papier noir et d'un petit outil de coupe. Vous pouvez également avoir besoin de ruban adhésif, d'une règle et de ciseaux.

Matériel nécessaire :

- Tube en carton (rouleau d'essuie-tout)

- Réseau de diffraction ou disque compact préparé

- Papier noir

- Outil de coupe (ciseaux)

- Ruban adhésif et colle

- Une source de lumière blanche (telle qu'une lampe de poche ou la lumière du soleil)

Instructions étape par étape :

1. Préparez le tube en carton. Découpez une ouverture rectangulaire sur toute sa longueur. Cette fente permettra à la lumière de pénétrer. La largeur approximative de la fente doit être de 1 centimètre.

2. Recouvrez les parois intérieures de la fente avec du papier noir. Cela permet de réduire la lumière indésirable et d'améliorer le contraste des couleurs.

3. Fixez le réseau de diffraction. Positionnez le disque compact ou le réseau de diffraction à l'extrémité opposée du tube. Veillez à ce que la face réfléchissante soit orientée vers l'intérieur. Fixez la pièce avec du ruban adhésif ou de la colle.

4. Sceller les autres extrémités du tube avec du papier noir. Cette opération permet de contrôler au mieux la lumière qui atteint le réseau.

5. Positionnez le tube. Diriger la fente vers une source de lumière naturelle ou une source de lumière blanche contrôlée.

6. Regardez par l'autre extrémité du tube. Ajustez l'angle jusqu'à ce que vous voyiez un éventail clair de couleurs formant un spectre. Laissez vos yeux s'adapter et notez les motifs de couleur.

Cette expérience fait appel à des matériaux domestiques simples. Les étapes pratiques sont faciles à suivre et ne nécessitent que des outils de base. L'objectif est de visualiser comment la lumière se divise lorsqu'elle interagit avec des composants optiques.

Concepts et mécanismes physiques

L'expérience repose sur des principes physiques simples. Lorsque la lumière pénètre dans la fente étroite, sa trajectoire est limitée. La lumière rencontre ensuite le réseau de diffraction. Un réseau de diffraction est constitué de nombreuses lignes étroitement espacées qui provoquent l'interférence des ondes lumineuses entre elles.

La lumière se déplace comme une onde et se dilate lorsqu'elle passe par des ouvertures étroites. La courbure de la lumière sur les bords de la fente est appelée diffraction. Lorsque les ondes lumineuses passent par le réseau, elles se chevauchent et créent des modèles d'interférences constructives et destructives. Cette séparation est à l'origine du spectre visible des couleurs.

Ce processus illustre également la réfraction. Même si nous n'utilisons pas ici une lentille réfractante typique, le principe est similaire à la flexion de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Un mécanisme similaire est observé lorsqu'un mot de paille dans un verre d'eau apparaît courbé. Le changement progressif de la longueur d'onde de la lumière au fur et à mesure qu'elle se propage est également à l'origine de la division de la lumière blanche en différentes couleurs.

Au fil des ans, les scientifiques ont mesuré et enregistré les angles spécifiques auxquels des couleurs particulières apparaissent. Ces mesures donnent naissance aux longueurs d'onde : la lumière rouge mesure généralement environ 700 nanomètres, tandis que la lumière violette avoisine les 400 nanomètres. Les instruments construits sur ces concepts ont eu un impact profond sur des domaines tels que la spectroscopie et la science analytique.

Comprendre la physique qui sous-tend ces expériences renforce notre compréhension de l'optique. L'expérience sert de modèle réduit pour des dispositifs optiques plus importants utilisés dans les laboratoires et les industries.

Matériel connexe

Outre les objets utilisés dans l'expérience, d'autres matériaux connexes peuvent élargir votre observation de la lumière et de l'optique. On trouve souvent des prismes de base dans les laboratoires scolaires. Ils séparent la lumière selon les mêmes principes que les réseaux de diffraction. Les fibres optiques modernes utilisent également ces principes pour transporter la lumière sur de longues distances.

Les verres et les lentilles fabriqués à partir de différentes formes de verre et de plastique sont des exemples courants. Ils sont utilisés dans des appareils tels que les caméras, les smartphones et les télescopes. Les revêtements optiques appliqués sur les lentilles peuvent réduire les reflets. Ils permettent également de diriger ou de diffuser la lumière de manière appropriée.

D'autres matériaux expérimentaux comprennent des sources de lumière LED dont les longueurs d'onde sont connues. En les comparant au spectre que vous voyez dans l'expérience, vous pourriez remarquer de légères différences. Dans les salles de classe, les enseignants utilisent souvent des miroirs pour réfléchir les faisceaux lumineux, ce qui permet de démontrer de manière vivante les lois de la réflexion et de la réfraction.

Même des objets quotidiens comme les gouttes d'eau peuvent montrer comment la lumière blanche se divise en plusieurs couleurs. L'utilisation intensive de matériaux optiques dans la vie quotidienne témoigne de l'importance de ces principes fondamentaux.

Applications dans le monde réel

Les principes qui sous-tendent ces expériences ne sont pas seulement théoriques ; ils trouvent de véritables applications dans le monde réel. L'utilisation la plus courante est celle des communications optiques. Les fibres optiques dépendent de la réflexion interne totale, un effet étroitement lié aux expériences discutées ici.

Les appareils médicaux, tels que les endoscopes, dépendent également d'une bonne manipulation de la lumière à l'aide de matériaux optiques. Les objectifs des appareils photo utilisent des combinaisons de réfraction et de diffraction pour capturer des images claires. Les ingénieurs utilisent ces principes optiques pour créer des capteurs qui transforment les signaux lumineux en signaux électriques.

Dans la conception de l'éclairage architectural, la compréhension de la façon dont la lumière interagit avec différents matériaux peut permettre d'améliorer l'éclairage de la pièce. Les appareils modernes, y compris les projecteurs et les écrans d'affichage, s'appuient sur la lumière structurée provenant de matériaux optiques avancés pour améliorer la qualité de l'image.

Même dans le domaine de l'astronomie, les matériaux optiques des télescopes permettent d'observer les corps célestes éloignés avec une plus grande précision. Les composants optiques de ces télescopes sont polis et structurés selon des principes similaires à ceux démontrés dans notre petite expérience. L'étude des longueurs d'onde aide les scientifiques à déterminer la composition chimique des étoiles.

Ces applications sont des exemples pratiques de la manière dont de petites expériences utilisant des matériaux optiques peuvent conduire à des avancées technologiques significatives. Les connaissances acquises lors d'expériences apparemment simples ouvrent la voie à des innovations utilisées dans des projets scientifiques et d'ingénierie avancés.

Conclusion

Le voyage à travers les matériaux optiques à l'aide d'expériences en science, technologie, ingénierie et mathématiques est à la fois gratifiant et instructif. Le rôle des matériaux optiques ne peut être surestimé. Ils servent non seulement à des démonstrations éducatives, mais aussi à des systèmes de communication critiques, à des appareils médicaux et à l'amélioration de l'imagerie. Pour des matériaux optiques plus avancés, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

F : Pourquoi utilisons-nous un réseau de diffraction dans ces expériences ?

Q : Il sépare la lumière en un spectre en provoquant des interférences entre les ondes lumineuses.

F : Combien de temps faut-il pour voir le spectre complet ?

Q : Avec un réglage adéquat, le spectre apparaît immédiatement dès que la lumière pénètre dans le tube.

F : Ces expériences sont-elles adaptées à un jeune public ?

Q : Oui, elles sont simples, sûres et idéales pour présenter les matériaux optiques aux débutants.