ENSEIGNER
dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Optique 1S
  -  Première (Première (prog. 2011))  -  Physique

Activité 2: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

 

Formation d’une image sur un écran puis prédiction si on déplace l’écran

a ) Ce que vous voyez sur l’écran du montage-professeur est net. Prévoyez et expliquez ce que vous allez voir lorsque cet écran sera déplacé (un peu ou beaucoup)vers l’avant ou vers l’arrière du banc d’optique.

b ) Le résultat de l’expérience correspond-il à vos prédictions ? S’il y a une différence, expliquez ce qui vous a empêché de faire une prévision correcte.


But: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

Cette activité a pour but de convaincre les élèves que l’image d’un objet par une lentille ne peut être localisée et donc visible sur un écran que pour une position bien précise de celui-ci. En dehors de cette position ce qui est vu est flou et on ne reconnaît même plus la forme de l’objet si on éloigne beaucoup l’écran. Beaucoup d’élèves pensent en effet que l’image peut être obtenue sur un écran quelle que soit sa position.

Préparation: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

Expérience

Sur sa paillasse, le professeur forme l’image d’un objet par une lentille mince convergente de façon à ce que la classe voie cette image qui est donc renversée.

Déroulement

Les élèves doivent noter par écrit ce qu’ils pensent voir si on déplace l’écran vers l’avant ou vers l’arrière, un peu ou beaucoup. Ils ont à expliquer ce qui leur suggère cette réponse. La question posée n’a de valeur prédictive que s’ils n’ont pas déjà fait la mise au point. L’enseignant doit donc éteindre sa lanterne avant de déplacer l’écran.

Ils doivent ensuite comparer ce qu’ils ont prévu à ce qu’ils observent quand le professeur fait l’expérience.

Le professeur institutionnalise la notion d’image.

Cette activité fournit l’occasion de parler de l’intervalle limité par les positions extrêmes de l’écran entre lesquelles ce qu’on voit sur l’écran paraît net.

Savoir: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

Dans le sens commun, il est courant d’entendre parler d’image nette ou d’image floue. Nombre d’enseignants de physique prononcent eux-mêmes ces termes, nombre de manuels les utilisent. Pourtant, au sens physique, l’expression d’image nette est un pléonasme et celle d’image floue un non-sens.

Remarquons d’abord que cela concerne la reconnaissance de la forme d’un objet lumineux étendu. En effet, l’image d’un point, qu’est-ce que c’est ? Soit on en parle au sens commun, et cela n’est pas très employé ni très défini. Soit on en parle au sens physique, et alors c’est un point, localisé en un seul endroit et donc « net ». Non, quand on parle d’image plus ou moins nette, c’est qu’on fait référence à l’aspect d’un objet étendu vu à travers un système optique.

Dans ce contexte, le concept d’image est défini en physique par trois énoncés :

· Un objet étendu est modélisé par la juxtaposition d’une infinité de points sources émettant des faisceaux de rayons isotropiquement, indépendants entre eux;

· La lumière émise par chaque point source se concentre en un point unique après avoir traversé le système optique (sous certaines conditions et souvent de façon approchée) ; ce point est appelé point image conjugué du point objet;

· L’image de l’objet est l’ensemble des points images conjugués de tous les points objets.

Le point image, quand il existe, est unique : l’image de l’objet est localisée en un endroit particulier de l’espace, qui dépend de la position de l’objet par rapport au système optique. La concentration de la lumière émergente, qu’on traduit par le terme « image », ne se produit donc qu’en un endroit bien déterminé de l’espace. Ou bien on la recueille à cet endroit, et c’est l’image, et l’aspect de ce qu’on observe est net. Ou bien on se place à un autre endroit, et ce qu’on observe n’est pas l’image.

Si donc on a une image, il est inutile de dire qu’elle est nette ; si on observe quelque chose de flou, ce n’est pas une image.

Il y a une zone assez limitée de l’espace, au voisinage de l’image, où on a l’impression de voir une figure sur l’écran d’observation aussi nette que l’image. Son existence vient des conditions expérimentales et de la résolution de notre œil, qui ne fait pas de différence entre un point image et une tache non ponctuelle mais assez petite.

Savoir: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

Différence entre visée directe et observation sur un écran

Lorsqu’on regarde directement à travers la lentille, on observe l’image, qui dans le cas d’une lentille convergente et d’un objet situé assez loin de la lentille, est renversée. Il doit être noté qu’on ne peut voir cette image que dans une zone voisine de l’axe de la lentille, c’est-à-dire telle que l’œil soit dans le faisceau de lumière émergeant du système. Par ailleurs notre perception est en réalité celle de l’image que notre cristallin forme sur notre rétine ; que nous nous éloignions plus ou moins de la lentille et de l’image qu’elle donne de l’objet, et notre perception est aussi nette, parce que notre cristallin adapte sa distance focale pour que l’image définitive reste sur notre rétine (phénomène d’accommodation).

Lorsqu’on observe au contraire la tache de lumière sur un écran, une différence importante apparaît : on peut voir le même spectacle, net ou non, de quelque endroit qu’on se place en avant de l’écran, et même en arrière s’il est assez mince pour que de la lumière puisse être reçue par transmission. C’est que la lumière se concentrant sur une zone de cet écran est renvoyée (diffusée) dans tout l’espace, de façon isotrope.

Comportement des élèves: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

Une bonne partie des élèves pensent qu’ils verront encore quelque chose de net si on déplace l’écran. Certains pensent que ce qu’ils verront sera plus net, plus petit ou plus grand, plus ou moins lumineux. Certains pensent même que si on place l’écran très près de la lentille, l’image sera droite. Cette erreur est classique et perdure parfois dans l’enseignement supérieur. Les élèves pensent souvent que l’image est émise par l’objet et « voyage » jusqu’à l’écran en étant retournée au passage par la lentille (voir à ce propos Viennot, L, 1996, Raisonner en physique, la part du sens commun, De Boeck Editeur).

Corrigé: Image d'un objet par une lentille convergente: on déplace l'écran

L’image par une lentille n’est visible que pour une position bien précise de l’écran. Plus on éloigne l’écran de cette position plus ce qu’on observe est flou au point qu’on ne reconnaisse plus la forme de l’objet. On ne constate jamais de retournement de ce que l’on observe.

A cause des performances de l’œil et des conditions de l’expérience (grain de l’écran, détails plus ou moins fins de l’objet, lumière parasite…), ce qu’on voit sur l’écran paraît net entre deux positions extrêmes de l’écran.