ENSEIGNER
dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

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

Activité 3: Image d'un objet par une lentille convergente: série de mesures

 
Avant manipulation, mesurez la taille de l’objet : AB = _______________ cm
a) Mesures

Mesurez la distance AA’ séparant l’image de l’objet vu à travers la lentille, pour six positions des deux lentilles 1 et 2. En déduire la distance lentille image OA’. Mesurer en même temps, pour chaque position, la taille de l’image A’B’. Remplir le tableau suivant :

b) Réflexion

Quelles sont vos remarques ?


But: Image d'un objet par une lentille convergente: série de mesures

Cette activité a pour but de montrer que la position et la taille de l’image dépendent de la lentille et de la distance objet-lentille (on se limite ici aux images réelles).

Les mesures effectuées par les élèves ont plus particulièrement pour but :

  • de les convaincre définitivement que l’image se forme dans un plan bien précis et que cette position dépend de la position de l’objet et de la lentille ;
  • de comparer l’influence de la forme de la lentille sur la position et la taille de l’image ;
  • de disposer de séries de mesures pour l’activité 10 au cours de laquelle seront introduits la relation de conjugaison et le grandissement.

Préparation: Image d'un objet par une lentille convergente: série de mesures

Matériel

Matériel habituel (banc, lanterne, écran, lentilles de 3d et 8d par exemple).

Déroulement

Le professeur présente la façon dont la situation est schématisée en optique. Il ne fait pas figurer sur le schéma le point B’ afin de ne pas donner d’informations sur le sens de l’image.

Les valeurs algébriques sont à faire apparaître dans le texte ci-dessous.


A est le point qui définit la position du plan objet et A’ est le point qui définit la position de l’écran (il est prématuré de dire que A et A’ sont des points conjugués).

Il donne également les conventions concernant les valeurs algébriques.

Les élèves repèrent la position et la taille de l’image pour six positions différentes de l’objet et font les mesures avec les lentilles 3d et 8d. Pour réduire l’incertitude sur la position de l’écran, on peut placer contre l’objet un rectangle de papier millimétré transparent. La finesse de la trame réduit l’intervalle des positions pour lesquelles ce qui est observé est net.

On fait mesurer également la taille de l’image, pour chaque position. Cela permettra de calculer le grandissement lors de l’activité 10.

En travail pour le cours suivant, le professeur demande aux élèves de représenter le graphe 1/ = f(1/ ) pour chaque série de mesures (dans le même système d’axes). Pour que le graphe soit correctement représenté, il faut s’assurer que les élèves donnent du sens aux valeurs algébriques et , à leurs inverses et à leur représentation graphique. Il faut également imposer l’échelle (2 cm pour 1 m-1) de façon à pouvoir faire figurer les points d’intersection avec les axes. Ces graphes seront exploités ultérieurement (activité 10).

Comportement des élèves: Image d'un objet par une lentille convergente: série de mesures

Les mesures effectuées par les élèves sont satisfaisantes. Ils constatent qu’il y a une plage de positions de l’écran pour laquelle ce qu’ils voient sur l’écran est net. Ils repèrent la position moyenne.

Les élèves ont du mal à donner du sens au graphe et à son équation en les reliant à la situation expérimentale. Il faut leur permettre de faire explicitement le lien entre:

  • les grandeurs et traduites sur le graphe, dans l’équation et sur le schéma ;
  • et les distances que ces grandeurs représentent sur le dispositif et le schéma;
  • C’est en jouant sur les différents registres (graphe, équation, schéma) et en les reliant à l’expérience que l’on mettra à la disposition des élèves tous les moyens d’analyser une situation expérimentale.

Corrigé: Image d'un objet par une lentille convergente: série de mesures

Ce corrigé peut être fait dès le cours suivant et complété un peu plus tard lors de l’activité 10 (on peut aussi attendre l’activité consacrée à la relation de conjugaison).

Les graphes sont des droites parallèles de coefficient directeur égal à 1. Leur équation s’écrit = + 3 (lentille 1) et = + 8 (lentille 2). Les valeurs « 3 » et « 8 » sont celles qui figurent sur la monture des lentilles.

1°. Pour trouver ces valeurs « 3 » et « 8 », il a fallu prolonger les graphes jusqu’aux axes car aucunes des mesures réalisées ne correspondent aux points d’intersection. En revanche, on peut décrire à quelle situation expérimentale chacun de ces points correspond :

  • les deux points d’intersection avec l’axe des abscisses correspondent à une position de l’écran située très loin de la lentille (à l’infini). L’objet est à 33 cm de la lentille 1 ou à 12,5 cm de la lentille 2 ;
  • les deux points d’intersection avec l’axe des ordonnées correspondent à une position de la lentille située très loin de l’objet (objet à l’infini). L’image est située à 33 cm de la lentille 1 ou à 12,5 cm de la lentille 2.

2°. Le graphe et son équation permettent tous deux de prévoir la position et la taille de l’image à partir de la taille et de la position de l’objet (et inversement). On peut alors faire un schéma à l’échelle (on prend souvent deux échelles différentes selon l’axe de la lentille et selon la direction perpendiculaire). Les graphes, leurs équations et les schémas rendent bien compte du fait que la position et la taille de l’image dépendent de la position de l’objet et de la forme de la lentille.

3°. Le graphe et son équation permettent de prévoir (ou d’en rendre compte) comment varie la position de l’image quand on déplace l’objet en le rapprochant ou en l’éloignant de la lentille. A partir des deux graphes, on peut prévoir (ou en rendre compte) comment va être modifiée la position de l’image si on remplace une lentille par une autre.