CONTEXTE : les systèmes optiques que sont les lunettes de vue, les appareils photographiques, les vidéoprojecteurs, les lunettes et télescopes astronomiques… contiennent des lentilles. Comment estimer expérimentalement la valeur de la distance focale d’une lentille convergente ?
Doc 1 : Les deux types de lentilles.
Une lentille est un objet transparent, généralement fabriqué en verre, capable de réfracter la lumière. On parle de lentille
« mince » quand son diamètre est très grand par rapport à son épaisseur.
Il existe deux types de lentilles :
vue en coupe Schéma Effet sur la lumière
Lentilles convergentes
Bords minces Trajet des rayons Schématisation
Lentilles divergentes
Bords épais
On définit l'axe optique : droite imaginaire qui passe par le centre optique (O).
O
: centre optique : point se situant au centre de la lentille.F'
: foyer image : point de convergence des rayons pour une lentille convergente.F
: le foyer objet : point symétrique de F' par rapport à la lentille.Doc 2 : Le trajet de la lumière à travers une lentille convergente.
Document n°3 : Comment positionner l’image d’un objet à travers une lentille convergente ? http://spcvauge.free.fr/lentille_convergente.swf
Doc 3 : Comment positionner l’image d’un objet à travers une lentille convergente ?
Illustration de la méthode : https://www.pccl.fr/physique_chimie_college_lycee/quatrieme/optique/lentille_convergente.htm
Doc 4 : Le montage expérimental utilisant le banc d’optique.
Images et Couleurs
Tp 4 – Act 1 Distance focale d’une lentille convergente. Ondes et Signaux Séquence 2 - A
Source de lumière
Objet Banc d’optique
Ecran Lentille
convergente
Le rayon incident passe par le
centre optique O.
Observation : le rayon n'est pas dévié.
F F’
O
Le rayon incident est parallèle à l’axe optique.
Observation : le rayon ressort en passant par le foyer F'.
Le rayon incident passe par le foyer objet F.
Observation : le rayon ressort parallèle à l'axe optique.
F F’
O
F F’
O
O F'
F F O F'
axe
biconvexe plan ménisque convexe convergent
O F
F' F' O F
biconcave plan ménisque concave divergent
axe
Expériences :
1) Les 4 lentilles d’étude :
Vous disposez, sur votre table, de 4 lentilles notées L1, L2, L3 et L4. Identifiez la lentille divergente. Justifiez votre choix.
2) Savoir trouver graphiquement l’image A’B’ d’un objet AB à travers une lentille :
Après lecture des documents 2 et 3, construire à l’aide du tracé de 3 rayons particuliers, l’image A’B’ de l’objet AB du graphique n°1 de l’ANNEXE.
Que dire de l’image : est-elle droite ou renversée ? plus grande ou plus petite que l’objet ? 3) Déterminer la distance focale f’ d’une lentille par la méthode de la mesure à l’infini :
http://clemspcreims.free.fr/Simulation/lentille.swf http://fizik.chimie.lycee.free.fr/Optique.html#lentconv
Utilisons le fait suivant : « L’image d’un objet placé à l’infini se forme au foyer image d’une lentille convergente » Souvent, si l’objet est à une distance minimale D de 2 m de la lentille, on peut considérer qu’il est à l’infini.
Mesures des distances focales f’ :
- positionner la lentille L1 à la verticale de la paillasse et de la lampe située au plafond.
- Déplacer la lentille jusqu’à obtenir l’image de la lampe la plus nette possible.
- Mesurer à l’aide d’une règle, la distance entre la lentille et la feuille de papier. Elle est très voisine de la distance focale.
- Recommencer la même opération avec les 2 autres lentilles.
Remarque : pour plus de précision, il est possible de sortir dehors et de chercher l’image d’un objet situé encore plus loin de la lentille (Soleil, arbre…)
Compléter alors le tableau :
4) Déterminer la distance focale f’ d’une lentille par la méthode de SILBERMANN : a) Chercher la position de la lentille L1 et de l’écran
pour obtenir une image nette de même taille que l’objet et tel que les distances d et d’soient égales.
Mesurer la distance D séparant l’objet de l’écran dans cette situation.
b) Compléter le graphique n°2 en annexe représentant la situation. Placer sur le graphique les foyers image F’ et objet F.
Etablir une relation entre la distance focale f’ et la distance D1
En déduire une estimation de la valeur de la distance focale de la lentille L1 c) Estimer l’incertitude-type u(f’) associée à la mesure de la distance focale f’
et proposer un encadrement pour la valeur de f’.
d) Déterminer les distances focales des lentilles L2 et L3 par la méthode de Silbermann.
5) Comparons les méthodes
Parmi les deux méthodes mises en œuvre, laquelle est la plus précise ? Donner au moins deux arguments.
Méthode de la mesure à l'infini Distance focale f' mesurée en cm f' en m Lentille L1
Lentille L2 Lentille L3
Montage
F’
A O B
Graphique n°1
Ecran
Graphique n°2
O B
A
d d’
ANNEXE
F’
A O B
