ENSEIGNER
samedi 23 septembre 2017
icar Vesion anglaise

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

Activité 1: modélisation d'une lentille mince convergente

 

On utilise la lentille 1 marquée “ +3 ”.

1.1 Former l’image de l’objet (le “ F ” utilisé au laboratoire) par la lentille. Placer l’objet de telle sorte que = - 80 cm. On note AB l’objet et A’B’ son image. Observer cette dernière sur un écran.

1.2 Représenter la situation par un schéma à l’échelle (1/10 ; ½). Représenter la marche des quatre rayons de lumière issus du point B décrits ci-dessous :

- le rayon de lumière passe par le centre de la lentille (rayon 1) ;

- le rayon incident est parallèle à l’axe de la lentille (rayon 2) ;

- le rayon émergent est parallèle à l’axe principal (rayon 3) ;

- le rayon est quelconque (rayon 4).

A quelle distance du centre de la lentille le rayon 2 coupe-t-il l’axe de la lentille ? Notez F’ ce point d’intersection.

A quelle distance du centre de la lentille le rayon 3 coupe-t-il l’axe de la lentille ? Notez F ce point d’intersection.

2. Représenter la marche du faisceau de lumière issu d’un point A que l’on considère à l’infini. Où se trouve son image ?

A quel point du graphe 1/ = f(1/ correspond cette situation ? Montre comment l’équation de ce graphe en rend également compte.

Représenter la marche d’un faisceau de lumière issu du point d’un objet considéré à l’infini (sommet d’un immeuble très éloigné par exemple)

3. A l’aide du schéma de la question 1 ci-dessus, prévoir comment va se déplacer l’image si on fait varier la distance séparant l’objet de la lentille de 80 à 33 cm.

Représenter la marche du faisceau de lumière issu du point A lorsque l’objet est à 33 cm de la lentille. Où se trouve son image ? Représenter la marche du faisceau de lumière issu du point B.

But: modélisation d'une lentille mince convergente

Cette activité a pour but :

  • d’introduire la notion de lentille mince convergente ;
  • de définir les éléments principaux centre optique, foyers et plans principaux;
  • de définir la distance focale et la vergence.

Préparation: modélisation d'une lentille mince convergente

Déroulement

Faute de temps, on ne peut que présenter de façon frontale le modèle des lentilles minces. Cette activité peut alors se dérouler en classe entière. Il faut consacrer du temps aux exercices qui permettront aux élèves de donner du sens aux différents éléments du modèle (centre optique, foyers principaux).

Le professeur peut s’appuyer sur les activités précédentes, des expériences de cours utilisant les lentilles cylindriques ou sur des logiciels de simulation comme les fichiers cabri.

Comportement des élèves: modélisation d'une lentille mince convergente

Les élèves ont des difficultés à représenter sur un schéma la marche de la lumière issue d’un objet très éloigné. Le professeur doit expliquer que plus l’objet est éloigné moins le faisceau (qui représente la lumière issue d’un point de cet objet et qui traverse la lentille) sera divergent. Lorsque cet objet est suffisamment loin, on considère que l’angle qui représente l’ouverture du faisceau est nul. On représente alors la lumière par un faisceau parallèle. C’est une approximation.

Il faut également consacrer un peu de temps à la situation pour laquelle l’objet est dans le plan focal objet de la lentille. L’élève comprend facilement que l’image se forme à l’infini. En revanche, si on place son œil derrière la lentille, tout se passe comme si on observait un objet situé à l’infini. Il faut expliquer à l’élève qu’il n’y a pas contradiction ni tour de passe-passe. L’œil placé derrière la lentille reçoit de la lumière assimilable à un faisceau parallèle comme lorsqu’il regarde un objet situé très loin. Cette situation renvoie à la lunette astronomique et au microscope lorsqu’ils sont en fonctionnement afocal.

Corrigé: modélisation d'une lentille mince convergente

1. Tous les rayons issus de B donnent des rayons émergents passant par B’ dont la position est connue grâce aux mesures. Le rayon issu de B et passant par le centre de la lentille n’est pas dévié (les élèves connaissent cette propriété). Le rayon incident parallèle à l’axe de la lentille émerge en coupant l’axe en un point noté F’. Une mesure graphique permet d’affirmer que ce point est situé à 33 cm de la lentille. Le rayon qui émerge parallèlement à l’axe de la lentille correspond à un rayon incident qui coupait l’axe en un point noté F situé lui aussi à 33 cm de la lentille (mesure graphique).

2. Un faisceau de lumière issu d’un point considéré à l’infini donne un faisceau émergent qui converge en F’. Cette situation correspond au point N d’intersection du graphe avec l’axe oy.

Un faisceau de lumière issu du point B d’un objet considéré à l’infini donne un faisceau émergent qui converge en B’ aligné avec O et B.

3. Quand l’objet AB s’approche de la lentille, son image grandit et s’éloigne. Quand cet objet est à 33 cm de la lentille, son image est à l’infini. Le faisceau de lumière issu de A émerge parallèlement à l’axe principal. Le faisceau de lumière issu de B émerge parallèlement à la direction OB.

L’institutionnalisation des résultats précédents se fait par la distribution du modèle « les éléments principaux d’une lentille mince convergente ».

Corrigé: modélisation d'une lentille mince convergente

Eléments principaux d’une lentille mince convergente

1. Une lentille est dite mince si on peut considérer son épaisseur comme nulle.

2. Un rayon de lumière passant par le centre de la lentille (appelé centre optique) n’est pas dévié par sa traversée de la lentille.

3. L’image d’un objet situé à l’infini dans la direction de l’axe de la lentille est un point situé sur l’axe, appelé foyer principal image de la lentille. Le plan perpendiculaire à l’axe tracé au foyer principal image est appelé plan focal image de la lentille.

4.) Le symétrique du foyer principal image d’une lentille a pour image à travers elle un point situé à l’infini sur l’axe ; on l’appelle foyer principal objet de la lentille. Le plan perpendiculaire à l’axe tracé au foyer principal objet est appelé plan focal objet de la lentille.