2.2.2 Hypothèses spécifiques sur l’apprentissage de l’optique géométrique

Une origine possible des difficultés des élèves réside dans le passage entre un rayon (élément abstrait d’un modèle physique), et un faisceau (qui est plus proche de leur perception des phénomènes lumineux). C’est ce que nous avons conclu de l’abondante littérature examinée au chapitre 3. En d’autres termes, les élèves ont des connaissances sur les lois qui s’appliquent aux rayons (et ces lois sont très simples, ce qui explique que les exercices classiques dans un environnement papier-crayon soient si aisés) ; mais au cours de leurs expériences ils voient des faisceaux ou pire, la trace des faisceaux dans des plans de section divers (et on sait que les expériences d’optique géométrique sont moins simples à réaliser et à interpréter). En conséquence, il a été demandé assez systématiquement aux élèves de faire apparaître un faisceau à partir d’un rayon générique.

Il est plus facile pour l’élève de définir l’image d’un point source à travers une lentille comme l’intersection de trois rayons spéciaux (passant par les foyers principaux et le centre optique), ou de calculer sa position par une formule quelconque, que de comprendre et d’appliquer que tous les rayons émergents passent par cette image. C’est une conséquence de l’hypothèse générale n° 5. On sait (Ronen & al., 93 pp. 299-300) que ce rôle prééminent attribué aux trois rayons spéciaux est source d’erreurs. Pour lutter contre ce rôle privilégié, les rayons passant par les foyers ne sont pas représentés dans plusieurs cabri-fichiers donnés aux élèves ; l’image d’un point est alors définie comme l’intersection du rayon central (non dévié) et d’un rayon quelconque, que les élèves peuvent déplacer.

Nous supposons par conséquent que la construction d’un rayon émergent correspondant à un incident quelconque et variable, qui est à la base de l’utilisation que nous comptons faire de la plupart des cabri-fichiers, peut être comprise par les élèves ; cette hypothèse n’est pas évidente, car cette construction nécessite le recours à plusieurs étapes successives, faisant intervenir les propriétés des foyers secondaires objet ou image. Elle s’oppose au principe de simplicité cognitive, elle suppose donc une intervention volontariste de l’enseignant.