La lumière et les ombres en CM2 : leçon, exercices et évaluation

La lumière permet de voir

Pour voir un objet, il faut que de la lumière arrive jusqu’à tes yeux. Une source lumineuse produit de la lumière. Le Soleil, une lampe allumée, une bougie allumée et une lampe de poche sont des sources lumineuses. Certains objets ne produisent pas eux-mêmes de lumière, mais ils renvoient une partie de la lumière qu’ils reçoivent : un cahier, une balle, un arbre ou ton visage. Tu peux alors les voir. Dans les expériences de classe, utilise souvent une lampe de poche comme source lumineuse. Place-la de façon stable et ne dirige jamais sa lumière vers les yeux de quelqu’un. Nova te rappelle une idée essentielle : dans un milieu transparent et homogène, comme l’air clair, la lumière se propage en ligne droite. C’est ce trajet droit qui explique la formation des ombres. Si un objet se trouve sur le chemin de la lumière, il peut arrêter la lumière ou en laisser passer une partie. Observe alors ce qui se passe derrière cet objet : une zone moins éclairée peut apparaître.

Trois façons de laisser passer la lumière

Retenir les mots transparent, translucide et opaque

Deux ombres à ne pas confondre

Quand une lampe éclaire un objet opaque, tu peux observer deux zones sombres différentes. L’ombre propre est la partie sombre située sur l’objet lui-même. Elle se trouve du côté qui ne reçoit pas directement la lumière. Par exemple, éclaire une balle avec une lampe placée à gauche. La partie gauche de la balle est éclairée ; sa partie droite, moins ou pas éclairée, est son ombre propre. L’ombre portée est la zone sombre projetée par l’objet sur une autre surface : un mur, une feuille blanche, le sol ou un écran. Avec la même balle, si un mur est placé derrière elle, tu observes une forme sombre sur le mur : c’est l’ombre portée. Pour bien les distinguer, pose-toi deux questions. La zone sombre est-elle sur l’objet ? C’est l’ombre propre. La zone sombre est-elle sur une surface derrière l’objet ? C’est l’ombre portée. La présence d’un écran rend l’ombre portée plus facile à observer. Un écran est simplement une surface sur laquelle la lumière et l’ombre peuvent apparaître.

Réalise une expérience d’ombre portée

• Installe une lampe de poche, un objet opaque et une feuille blanche verticale ou posée sur une table. La feuille joue le rôle d’écran.
• Place l’objet entre la lampe et la feuille. Vérifie que la lumière de la lampe arrive bien vers la feuille.
• Allume la lampe et observe la zone sombre dessinée sur la feuille. Nomme-la : c’est l’ombre portée de l’objet.
• Déplace seulement la lampe sur le côté, sans la rapprocher ni l’éloigner de l’objet. Observe que l’ombre se déplace sur la feuille dans le sens opposé à ce déplacement latéral de la lampe.
• Remets la lampe à sa place, puis déplace seulement l’objet. Compare la taille et la netteté de l’ombre.
• Éteins la lampe avant de modifier une installation fragile. Décris ce que tu as changé et ce que tu as observé.

Trouver la position de l’ombre

Dans une installation simple avec une seule lampe, un objet opaque et un écran, l’ombre portée se forme derrière l’objet, du côté opposé à la source lumineuse, dans le prolongement de la ligne qui va de la lampe vers l’objet. Imagine une lampe, une figurine et un écran installés en ligne, la figurine entre la lampe et l’écran : l’ombre portée apparaît sur l’écran, juste derrière la figurine. Si tu déplaces la lampe sur le côté, par exemple vers la gauche, sans changer sa distance avec la figurine, l’ombre se déplace sur l’écran vers la droite, du côté opposé à ce déplacement. Si tu la déplaces vers la droite, l’ombre se déplace vers la gauche. Cette règle concerne un déplacement latéral de la lampe : elle est valable pour une source assez petite (proche d’une source ponctuelle), avec un écran qui reste fixe et une lampe qui se décale sur le côté sans se rapprocher ni s’éloigner de l’objet. Si, au contraire, tu déplaces la lampe le long de la ligne lampe → objet → écran, en la rapprochant ou en l’éloignant de la figurine, l’ombre ne change pas de côté : c’est sa taille qui change, comme tu le verras plus loin. Pense à tracer mentalement cette ligne : source lumineuse → objet → écran. L’objet coupe une partie des rayons lumineux ; la zone qui ne reçoit plus ces rayons devient l’ombre portée. L’ombre propre change aussi selon la position de la lampe : elle reste du côté de l’objet opposé à la lampe. Sur une boule, l’ombre propre n’a pas toujours une limite très nette, car la surface est arrondie. Sur un cube, la séparation entre face éclairée et face sombre peut sembler plus marquée.

La règle de position

Faire varier la taille de l’ombre

Tu peux faire grandir ou rétrécir une ombre portée sans changer l’objet. Dans une installation où la lampe et l’écran restent à la même place, rapproche l’objet de la lampe : son ombre portée devient plus grande sur l’écran. Éloigne l’objet de la lampe et rapproche-le de l’écran : son ombre portée devient plus petite et ressemble davantage à l’objet. Cette comparaison est valable si la même lampe, le même objet et le même écran sont utilisés, et si l’objet reste placé entre la lampe et l’écran. Une marionnette placée très près d’une lampe peut donc produire une grande silhouette sur un mur. À l’inverse, une main presque collée au mur produit une ombre plus petite. Observe aussi la netteté. Une petite source lumineuse, comme une lampe de poche dirigée, peut produire une ombre aux contours assez nets. Une source plus étendue, comme plusieurs lampes allumées ou une grande fenêtre, peut produire des contours moins nets. Si plusieurs sources éclairent le même objet, plusieurs ombres portées peuvent apparaître. Chacune correspond à une source lumineuse. Ne confonds pas une ombre floue avec une ombre absente : une partie de la lumière peut encore atteindre l’écran.

Des situations particulières à observer

Un objet transparent laisse passer beaucoup de lumière : il ne produit souvent qu’une ombre très faible ou presque invisible. Pourtant, une vitre peut parfois produire une légère zone sombre si elle est sale, colorée, épaisse ou inclinée. Un objet translucide, comme du papier calque, laisse passer de la lumière mais ne laisse pas voir nettement : son ombre portée est souvent claire et diffuse. Un objet opaque, comme un livre, bloque la lumière et forme une ombre portée plus sombre. La couleur de l’objet peut modifier la couleur de la lumière qui le traverse si le matériau est transparent ou translucide et coloré. Mais un carton rouge reste opaque : il bloque la lumière au lieu de la laisser traverser. Dehors, le Soleil est une source lumineuse très éloignée. Ton ombre portée apparaît alors sur le sol ou sur un mur. Elle change de direction lorsque la position apparente du Soleil dans le ciel change. Pour faire une observation juste, indique toujours où sont la source, l’objet et la surface qui reçoit l’ombre.

Le vocabulaire à utiliser avec précision

• Source lumineuse : objet qui produit de la lumière.
• Objet éclairé : objet qui reçoit de la lumière.
• Écran : surface qui reçoit l’ombre portée, comme un mur ou une feuille.
• Ombre propre : partie sombre située sur l’objet éclairé.
• Ombre portée : zone sombre projetée sur une surface derrière l’objet.
• Silhouette : contour ou forme sombre de l’objet visible dans son ombre portée.

Le test Nova avant de répondre