Chapitre 7 : Lentilles, foyers et images
I. Définition ; Lentilles convergente et divergente 1) Définition
Une lentille est un milieu transparent dont au moins une face n’est pas plane. (L’épaisseur varie du centre aux bords.) 2) Deux types de lentilles
Simplement en les touchant et en les observant, on peut distinguer deux types de lentilles.
Type de lentille Lentille convergente (L1) Lentille divergente (L2) Un objet observé de près à travers la
lentille paraît-il plus grand ou plus petit qu’en réalité ?
L’objet observé paraît plus grand qu’en réalité.
L’objet observé paraît plus petit qu’en réalité.
Epaisseur des bords par rapport à l’épaisseur du centre de la lentille.
Modèle utilisé pour représenter la lentille
3) Propriétés des lentilles convergentes et divergentes
Observons les effets de chaque lentille sur un faisceau parallèle de lumière incident (= qui arrive sur la lentille).
Effet d’une lentille convergente (à bords minces)
Une lentille convergente (à bords minces) fait converger le faisceau émergent (sortant).
Effet d’une lentille divergente (à bords épais)
Une lentille divergente (à bords épais) fait diverger le faisceau émergent (sortant).
On n’étudiera dans la suite que les lentilles convergentes.
II. Notion de foyer d’une lentille convergente
1) Quel effet une lentille convergente a-t-elle sur de la lumière provenant d’une source lointaine ? Dispositif expérimental :
On place la lampe et la lentille aux deux extrémités du banc optique pour assimiler la lampe à une source lointaine.
Observation : Sur l’écran derrière la lentille, on observe un cercle lumineux. En déplaçant l’écran, la taille du cercle lumineux augmente ou diminue. Il y a une seule position de l’écran pour laquelle cette tâche lumineuse est réduite à un point où est concentrée toute la lumière, c’est-à-dire toute l’énergie lumineuse.
Définition : Le point où une lentille convergente concentre toute l’énergie lumineuse provenant d’une source éloignée est appelé Foyer de cette lentille convergente.
Les bords sont moins épais que le centre de la lentille.
Les bords sont plus épais que le centre de la lentille.
Lentille convergente
Source de lumière Ecran
Remarquons que le foyer est un point bien précis. Il faut donc que la lentille soit dans une position précise par rapport au foyer pour que la technique utilisée par les Incas fonctionne. Il y a alors danger ! Chaque rayon du Soleil transporte de l’énergie sous forme de lumière, et la lentille concentre tous les rayons, donc toute l’énergie, en un point précis qui chauffe beaucoup, il peut y avoir incendie. Plus la loupe est large, plus elle concentre de lumière (de « rayons »), plus elle est efficace. Le mot foyer, qui a la même étymologie que le mot feu, n’a d’ailleurs pas été choisi au hasard !
2) Distance focale
Vocabulaire et notations : Lorsqu’on étudie une lentille,
Le centre de la lentille est appelé centre optique, et est en général noté O. Le foyer de la lentille est noté F.
La lentille possède un axe de symétrie (droite perpendiculaire à la lentille passant par O) appelé axe optique.
La distance focale d’une lentille convergente, notée f, est la distance entre le centre O de la lentille et son foyer F.
Exemple : Dans l’expérience réalisée, on a mesurée une distance focale de 𝑓 = 10 𝑐𝑚.
III. Obtention d’une image sur un écran par une lentille convergente 1) Montage expérimental
On réalise le montage suivant, où un objet est éclairé par une lampe. La lentille utilisée est la même qu’au II, elle a donc une distance focale de 𝑓 = 10 𝑐𝑚.
Pour chaque distance OA testée, on déplacera l’écran le long du banc optique pour voir s’il existe une position de l’écran où on a une image de l’objet, et si cette image est plus grande ou plus petite que l’objet.
2) Observations
(a) On ne peut pas obtenir d’image de l’objet sur l’écran.
(b) On peut obtenir une image plus grande de l’objet sur l’écran.
(c) On peut obtenir une image plus petite de l’objet sur l’écran.
Remarques : Dans les cas où on obtient une image,
Que peut-on dire de l’image ? Lorsqu’on obtient une image, elle est renversée. (A l’envers.) Si on enlève l’écran, voit-on encore l’image ? Si on retire l’écran, on ne voit plus l’image.
3) Conclusion
Conclusion : Si la distance entre un objet et une lentille est supérieure à la distance focale de la lentille, une lentille convergente permet d’obtenir une image de l’objet sur un écran. Cette image est renversée. (A l’envers.)
Trajet de certains rayons lumineux : Source très éloignée : faisceau parallèle
Axe optique
O F
f
Lentille convergente
Distances OA testées : (a) OA ≤ 𝑓
(b) 𝑓 < OA < 2 × 𝑓 (c) OA ≥ 2 × 𝑓 Ecran
Lentille convergente Objet A
O
A
O F
IV. Modèles de l’œil et ses défauts 1) Schéma de l’œil
2) Modèle physique de l’œil
On va représenter l’œil par un système qui permet de récupérer une image sur un écran :
Quel élément de l’œil joue le rôle d’une lentille convergente ? Le cristallin joue le rôle d’une lentille convergente.
Quel élément de l’œil joue le rôle d’un écran ? La rétine joue le rôle d’un écran sur lequel on récupère l’image. Le nerf optique transmet l’image au cerveau qui peut ensuite l’interpréter.
La vision résulte de la formation d’une image sur la rétine. Mais cette image est renversée. C’est le cerveau qui l’interprète pour la remettre à l’endroit.
Quand l’objet s’approche ou s’éloigne de l’œil, la position de l’image change, et on ne peut plus la récupérer sur la rétine.
Le cristallin a donc la capacité de ce gonfler ou se dégonfler pour que l’image se forme toujours sur la rétine.
3) Défauts de l’œil et corrections a) La myopie
Pour un œil myope, l’image ne se forme pas sur la rétine, mais devant la rétine. Un myope voit mal les objets lointains, son cristallin est trop convergent.
La myopie se corrige avec une lentille divergente.
b) L’hypermétropie
Pour un œil hypermétrope, l’image ne se forme pas sur la rétine, mais derrière la rétine. Un hypermétrope voit mal les objets proches, son cristallin n’est pas assez convergent.
Ce défaut se corrige avec une lentille convergente.
Voici un schéma simplifié de l’œil humain :
Le but de ce paragraphe est d’expliquer comment notre œil arrive à voir le monde extérieur simplement.
Il faut arriver à récupérer une image de l’extérieur dans notre œil. Quel système optique permet de récupérer une image sur un écran ? Une lentille !
Lentille convergente Ecran
