ENSEIGNER
samedi 18 novembre 2017
icar Vesion anglaise

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

Activité 2: Formation d'une image par un rétroprojecteur

 

Questions

Citer les différents éléments composant un rétroprojecteur. Quelles propriétés exige-t-on de l’image ? L’utilisateur voit-il son transparent à l’endroit lorsqu’il regarde son auditoire et que l’écran de projection est derrière lui. Comment effectue-t-il la mise au point ?

Expérience 1 : on retire le miroir et on projette au plafond

On pose sur la plage de travail du rétroprojecteur un rectangle de papier millimétré transparent. On en forme l’image au plafond. On mesure la distance séparant la lentille de la plage de travail et celle séparant la lentille de l’image.

Quelle est la nature de la lentille ? Calculer sa distance focale.

Sur une feuille entière, représenter la situation à l’échelle 1/10. Utiliser un crayon de papier car le schéma sera modifié. Représenter l’axe de la lentille en le plaçant comme indiqué ci-contre. Placer l’objet AB près du bord gauche. Faire figurer la marche des trois rayons de lumière principaux et celle d’un faisceau de lumière issu du point B de l’objet.

 

 

 

 

 


Le schéma rend-il bien compte des propriétés de l’image observée ?

Expérience 2 : on remet le miroir en place et on projette sur un écran

Après avoir remis en place le miroir et sans modifier la hauteur de la lentille, on cherche à obtenir l’image sur un écran vertical.

Prévision : que faut-il faire pour y parvenir (attention, sans modifier la hauteur de la lentille !) ? Indiquer à quelle distance il faut placer le rétroprojecteur de l’écran.

Expérience : on réalise la projection sur un écran vertical. On mesure la distance séparant le centre de la lentille de l’écran. Comparer à la valeur que vous avez prévue. On mesure également les dimensions de l’image. Calculer le grandissement.

Schéma : on modifie le schéma précédent de façon à rendre compte de la projection avec le miroir. Expliquer ce qui permet d’affirmer que le miroir est plan. Votre schéma rend-il compte des propriétés de l’image ?

Expériences complémentaires

1. On éloigne le rétroprojecteur de sa position précédente. Prévoir comment il faut déplacer la lentille (vers le haut ou vers le bas) pour que l’image se forme encore sur l’écran. Votre prévision est-elle confirmée par l’expérience ?

2. On place le miroir à l’horizontale et on déplace la lentille de façon à observer l’image dans le plan de travail. On vérifie que la distance séparant la lentille de l’objet est égale à la distance focale de la lentille. Expliquer comment ce résultat peut être utilisé en TP pour mesurer très rapidement et de façon relativement précise la distance focale d’une lentille convergente.


But: Formation d'une image par un rétroprojecteur

Cette activité a pour but de décrire soigneusement la formation de l’image par le rétroprojecteur du laboratoire.

Le programme d’optique se termine par « Modélisation expérimentale d’un instrument d’optique : lunette astronomique, lunette terrestre ou jumelle, appareil de projection ou de rétroprojection… ». Les élèves doivent être capables de « comprendre les rôles des éléments constitutifs d’un appareil d’optique n’utilisant que des lentilles convergentes et des miroirs plans ». Les commentaires précisent que le « choix (de l’appareil) sera effectué en tenant compte des possibilités expérimentales et des motivations des élèves ». Le dernier point n’est pas à négliger.

Le rétroprojecteur est un appareil complexe mais il présente l’avantage d’être constitué à la fois d’une lentille convergente et d’un miroir plan. Il permet de faire fonctionner un grand nombre de points rencontrés durant cette partie du programme et même de décrire en très peu de temps la méthode de mesure de la distance focale d’une lentille convergente par autocollimation.

Cette activité prend du temps. Elle peut être simplifiée ou on peut en limiter la durée en fournissant en particulier pour les expériences 1 et 2 des schémas que les élèves n’auront plus qu’à compléter.

Préparation: Formation d'une image par un rétroprojecteur

Matériel : un simple rétroprojecteur convient. Il faut impérativement pouvoir escamoter ou retirer le miroir de façon à réaliser une projection au plafond (pour une bonne mise au point, ce dernier ne doit pas être trop grossier). En guise d’objet, un transparent de papier millimétré convient bien (pour limiter la latitude de mise au point, il faut pouvoir distinguer des détails très fins). Prévoir un moyen de mesurer sans trop de difficulté la distance entre la lentille du rétroprojecteur et le plafond.

Déroulement

Le professeur demande aux élèves d’indiquer les différentes pièces constituant l’appareil.

Il réalise ensuite la projection au plafond (miroir escamoté ou retiré). Il demande aux élèves de calculer la distance focale de la lentille à partir des mesures (distance plage de travail/lentille et lentille/plafond). Les élèves représentent la situation à l’échelle 1/10 sur une feuille de papier millimétré de format A4 (dans le sens de la longueur, le bas de la page restant libre pour la suite du schéma avec le miroir). On peut aussi donner un document que les élèves complètent.

Le professeur réalise la projection sur un écran vertical (miroir à 45°) sans modifier la hauteur de la lentille par rapport à la situation précédente. Les élèves doivent prévoir quelle est alors la distance lentille/écran. Il faut leur faire remarquer que cette distance séparant le centre du miroir du centre de la lentille nécessite une petite correction. Les élèves ont à comprendre que l’image finale est symétrique de l’image intermédiaire formée par la lentille. Cela confirme que le miroir est plan. Pour que le schéma permette de vérifier la symétrie des images intermédiaire et finale par rapport au miroir plan, il faut que ce dernier soit très soigneusement représenté (angle de 45°).

Le professeur éloigne le rétroprojecteur de l’écran et demande aux élèves de prévoir comment déplacer la lentille pour que l’image se forme de nouveau sur l’écran. L’expérience permet aux élèves de vérifier leur prévision.

On peut terminer la séance en décrivant la méthode par de mesure de la distance focale de la lentille par autocollimation. Le rétroprojecteur le permet très rapidement. On peut demander aux élèves où il faudrait placer l’écran si on remettait alors le miroir à 45°.

Comportement des élèves: Formation d'une image par un rétroprojecteur

Il faut insister sur le fait que l’image formée par la lentille (et observée au plafond lorsque le miroir est retiré) joue le rôle d’objet pour le miroir. Ce dernier en donne l’image finale sur l’écran. On a un système optique à deux composants, l’image à travers le premier sert d’objet pour le second. Cette compétence n’est effectivement exigible qu’en enseignement de spécialité. La difficulté supplémentaire réside dans le fait que, pour le miroir, l’objet est virtuel. Cette situation fournit l’occasion de préciser la formation des images, les rayons incidents n’étant plus issus d’un point objet mais convergent vers lui.

La véritable difficulté n’a pas pour origine le sujet choisi car les élèves disposent des connaissances nécessaires à sa compréhension. La difficulté provient du manque de temps.

Corrigé: Formation d'une image par un rétroprojecteur

L’expérience est décrite de façon détaillée dans Physique 1S, Bordas, collection Galilée, pages 287 à 292. Expérimentalement, on mesure une distance entre l’écran et l’axe de la lentille un peu inférieure à la distance entre la lentille et le plafond. Les élèves peuvent expliquer cet écart par la distance de quelques cm séparant la lentille de l’axe de rotation du miroir. Cette distance est trop faible pour être représentée à l’échelle sur le schéma au 1/10°. Cela introduit une erreur mais n’empêche pas de constater que l’image finale et l’image intermédiaire sont symétriques l’une de l’autre par rapport au miroir.