L'illusion de la flèche qui se retourne dans un verre d'eau
« La flèche qui change d'avis »
- ÂgeDès 6 ans
- Durée15 min
- AdulteAdulte dans la pièce
- OùSur une table
Dans cette expérience avec une flèche et un verre d'eau, un dessin qui pointe à droite peut sembler pointer à gauche, sans que tu touches à la feuille ! Dès 6 ans, observe cette illusion d'optique avec un adulte dans la pièce : prévoyez 5 minutes de préparation et 10 minutes d'expérience, sur une table dégagée.
La question
Pourquoi la flèche change-t-elle de sens derrière l'eau ?
Ton idée
Que va-t-il se passer, à ton avis ? Choisis une idée avant de commencer.
Le matériel
- 1 récipient d'environ 20 cl, de préférence de 6 à 7 cm de diamètre Un verre transparent bien rond, à parois lisses, remplacé pour les petits par un gobelet en plastique transparent de même forme
- 15 cl Eau à température ambiante
- 1 feuille ; flèches d'environ 3 cm de longueur Une feuille avec deux flèches horizontales identiques pointant vers la droite, dessinées l'une sous l'autre sur la fiche à imprimer
L’expérience
- 1Étape de l’adulte
L'adulte installe le récipient vide sur une table stable et dégagée, en retrait du bord. Pour les plus jeunes, il choisit le gobelet en plastique transparent ; si le récipient est en verre, lui seul le manipule pendant cette expérience.
Un récipient sans motifs ni reliefs permet de mieux distinguer les contours des flèches. - 2
Tiens la feuille verticalement derrière le récipient vide, avec les deux flèches à hauteur de sa partie basse. Assieds-toi face au récipient, les yeux à environ 30 cm, et observe les flèches à travers ses parois.
Regarde au centre du récipient plutôt que près de son bord : les déformations y sont plus faciles à comparer. - 3Étape de l’adulte
L'adulte verse les 15 cl d'eau dans le récipient, puis le repose au même emplacement. Il vérifie que la table est sèche et que les deux flèches peuvent être placées entièrement derrière la zone remplie d'eau.
Attendez que la surface de l'eau soit immobile avant de poursuivre. - 4
Place d'abord la feuille à environ 1 cm derrière le récipient, sans le toucher. Éloigne ensuite lentement la feuille, jusqu'à environ 20 cm derrière lui, en gardant ta tête au même endroit. Cherche une position où les flèches apparaissent nettement dirigées vers la gauche.
Si le dessin devient flou ou très étiré, continue à déplacer doucement la feuille : cette zone de transition fait partie de l'observation. - 5
Arrête la feuille à une position où les flèches semblent retournées. Décale-la doucement sur le côté pour regarder le même dessin directement, puis replace-la derrière l'eau. Compare le sens du dessin vu directement et celui de son image à travers le récipient.
Ne déplace que la feuille : le récipient et ta tête restent à leur place. - 6
Rapproche lentement la feuille du récipient pour retrouver une image non retournée. Repère une position proche et une position plus éloignée donnant des résultats différents. Observe aussi les positions où l'image est difficile à reconnaître.
Observe
Tout près du récipient rempli, les flèches peuvent rester orientées comme sur la feuille, avec une taille ou une forme modifiée. En éloignant la feuille, tu peux traverser une zone où leur image devient étirée, floue ou difficile à reconnaître. À une distance adaptée, les pointes semblent dirigées vers la gauche alors qu'elles sont toujours dessinées vers la droite. Quand tu regardes la feuille directement sur le côté, tu retrouves aussitôt le dessin initial. Les deux flèches restent l'une au-dessus de l'autre : le changement observé concerne surtout la gauche et la droite.
À noter dans ton carnet
- Le sens des flèches vues directement, puis à travers le récipient vide et rempli.
- La position de la feuille pour laquelle l'image paraît retournée : proche, intermédiaire ou éloignée.
- L'aspect des flèches pendant le déplacement : nettes, élargies, étirées ou floues.
- Ce qui change lorsque seule la feuille bouge, sans déplacement de la tête ni du récipient.
Comprendre
La lumière peut changer de direction lorsqu'elle passe d'une matière transparente à une autre : c'est la réfraction. Avec sa forme arrondie, le récipient rempli d'eau agit comme une lentille qui peut inverser l'image de gauche à droite.
Pour voir une flèche, tes yeux reçoivent de la lumière provenant de chaque partie du dessin. Sans le récipient devant elle, cette lumière traverse essentiellement l'air et te permet de retrouver sa forme habituelle. Derrière le récipient rempli, elle rencontre successivement plusieurs matières : la paroi, l'eau, puis de nouveau la paroi et l'air.
Quand la lumière passe d'une matière transparente à une autre, sa direction peut changer. Ce changement s'appelle la réfraction. Tu peux aussi le remarquer dans la vie courante lorsqu'un objet partiellement plongé dans l'eau paraît décalé au niveau de la surface : l'objet n'a pas changé de forme, mais le trajet de la lumière a changé.
Ici, les côtés arrondis du récipient sont essentiels. Dans le plan horizontal, l'ensemble formé par les parois et l'eau agit comme une lentille convergente : il fait se rapprocher certains rayons lumineux. Quand la feuille est suffisamment éloignée, des rayons provenant de ses côtés opposés se croisent avant d'arriver à tes yeux. L'image que tu observes peut alors être inversée de gauche à droite.
Ce n'est donc pas l'eau seule qui retourne systématiquement tous les dessins. Le résultat dépend de la courbure du récipient, de la position de la feuille et de celle de tes yeux. Dans la partie droite d'un récipient cylindrique, la courbure est surtout horizontale : les flèches changent de sens latéralement, sans que celle du haut prenne nécessairement la place de celle du bas.
L'effet peut être imparfait : un récipient réel n'est pas une lentille de précision. Des reliefs, une forme qui se resserre, une flèche trop large ou une mauvaise position peuvent brouiller l'image. En déplaçant lentement une seule chose à la fois, tu cherches les conditions dans lesquelles ton observation devient nette et reproductible.
- Réfraction
- Changement de direction que peut subir la lumière lorsqu'elle passe d'une matière transparente à une autre.
- Lentille convergente
- Objet transparent dont la forme fait se rapprocher des rayons lumineux et qui peut modifier l'image observée.
- Image
- Représentation d'un objet obtenue grâce au trajet de la lumière ; elle peut différer du dessin original par sa taille ou son orientation.
- Reproductible
- Se dit d'une observation que l'on peut retrouver en rétablissant les mêmes conditions.
Nouveau défi : Peux-tu prévoir le sens de l'image ?
Garde le même récipient et les mêmes 15 cl d'eau, puis retourne la feuille dans son propre plan pour que les deux flèches pointent vers la gauche. Avant de la replacer à la position où l'image était inversée, prédis le sens que tu verras. Vérifie ensuite ta prédiction sans déplacer le récipient ni ta tête.
Autres idées à tester
- Avec la même installation, déplace très lentement la feuille vers le récipient puis en sens inverse. Cherche à retrouver deux fois les mêmes changements d'image.
- Tourne la feuille d'un quart de tour pour orienter les flèches verticalement. Compare leur aspect à celui des flèches horizontales, en les regardant toujours au centre de la partie remplie d'eau.
Ranger et jeter
L'adulte vide le récipient, l'essuie et le range. Séchez la table et toute zone mouillée ; conservez la fiche pour une autre observation.
L'eau seule peut aller à l'évier. La feuille sèche se conserve ou rejoint le tri du papier selon les consignes locales ; le récipient est réutilisé.
Pour les enseignants et les animateurs
- Classes
- Cycle 3 : CM1, CM2 et 6e ; découverte accompagnée possible dès 6 ans.
- Notion
- La lumière et la formation des images : première approche qualitative de la réfraction et de l'effet d'une lentille convergente.
- Compétences
- Formuler une hypothèse et la confronter à des observations.
- Réaliser une expérience en ne faisant varier qu'un paramètre à la fois.
- Décrire un résultat par un dessin et un vocabulaire précis.
- Distinguer l'objet observé de son image.
- En classe
- Pour 25 élèves, prévoyez cinq groupes de cinq, chacun avec un gobelet en plastique transparent bien rond, 15 cl d'eau et une fiche à deux flèches. Comptez 5 minutes de préparation et 10 minutes de manipulation, puis un temps de mise en commun. Faites alterner les rôles d'observateur, de responsable de la feuille et de rapporteur, les autres élèves vérifiant les conditions d'observation. Demandez à chaque groupe de présenter une position donnant une image inversée et une autre donnant un résultat différent.
- À la fin, l’élève sait…
- L'élève doit pouvoir dire que le dessin ne change pas, mais que la lumière est déviée par l'ensemble récipient-eau, et montrer que la distance entre la feuille et le récipient influence l'image observée.
Questions fréquentes
Pourquoi ne voyons-nous pas les flèches se retourner ?
Vérifiez d'abord que le récipient est bien rond, transparent et sans reliefs importants. Placez les flèches entièrement derrière l'eau et regardez dans la partie centrale, loin du fond et de la surface. Gardez les yeux à environ 30 cm du récipient et déplacez lentement la feuille entre 1 et 20 cm derrière lui. Selon sa forme, certaines positions donnent surtout une image déformée : recherchez celle où la pointe devient identifiable.
Peut-on utiliser un gobelet en plastique plutôt qu'un verre ?
Oui, c'est le choix prévu pour les plus jeunes. Choisissez un gobelet transparent, bien rond et aussi lisse que possible. Les modèles très coniques ou à facettes peuvent donner une image moins lisible. Conservez les mêmes 15 cl d'eau et laissez le récipient posé pendant toute l'observation.
Est-ce simplement un effet de grossissement ?
Non, le grossissement et l'inversion sont deux effets distincts. Vous pouvez observer une modification de taille sans changement de sens lorsque la feuille est proche. À une autre distance, le trajet des rayons lumineux permet une inversion horizontale. La comparaison avec le dessin vu directement aide votre enfant à distinguer ces deux observations.
Vérifiée avant publication
Cette expérience a été relue le 15 octobre 2026 par notre contrôle de sécurité et notre contrôle scientifique : 54 phrases relues une à une, dont 7 appuyées par une citation des sources ci-dessous ; aucune erreur restante.
