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Classe de 1èreS—TP d’optique—

LENTILLES MINCES

1–Introduction

En optique, on appelle dioptre  la surface de séparation entre 2 milieux transparents différents. Une lentille est constituée de 2 dioptres

éparant le verre et l’air. Vous allez étudier quelques propriétés des lentilles minces (chaque dioptre d’une lentille mince est soit plan soit

phérique de grand rayon–les 2 calottes sphériques peuvent avoir des rayons différents–on peut considérer qu’un plan est une calotte

phérique de rayon infini). On distingue les lentilles convergentes  dont le centre est plus épais que le bord et les lentilles divergentes  donte centre est plus mince que le bord.

On appelle centre optique  O le centre de la lentille

On appelle axe principal , l’axe perpendiculaire à la lentille passant par le centre de la lentille.

axe principal

F F’O

incident   émergent

F F’O

F F’O

plan focal

F

F’

O

Les figures ci-contre ont été réalisées avec des lentilles convergentes.

Toutes les lentilles minces ont les propriétés suivantes :

— Tout rayon incident  passant par le centre optique n’est pas dévié.

— Tout rayon incident  parallèle à l’axe principal émerge  de la lentille en passant par le foyer

image F. On appelle distance focale  la distance OF. C’est une valeur caractéristique de la

lentille.

— Tout rayon incident passant par le foyer objet F émerge de la lentille parallèlement à l’axe

principal. Une lentille mince possède 2 foyers F et F symétriques par rapport à O.

— On appelle plan focal  un plan parallèle au plan de la lentille et passant par un foyer. Des

rayons incidentsparallèlesémergent en passant tous par un point dans le plan focal image.

Des rayons incidents passant par un point du plan focal objet émergent parallèlement

entre eux.

2–Détermination de la distance focale d’une lentille convergente

Vous disposez d’un banc d’optique, glissière graduée qui permet d’aligner les objets et de mesurer les distances.Une lampe (source de lumière) est placée dans un boîtier. Elle éclaire une plaque dans laquelle a été percé un F. Dans la suite des expé-

iences, on dira que c’est le F qui est la source (secondaire) car il est fortement éclairé par la source (primaire) : la lampe. Placer la plaque

dans laquelle a été percé le F au 0 de la graduation de la glissière du banc d’optique. Ce sera plus facile pour les mesures à faire.

Dans un même support, placez une lentille convergente et un miroir, de telle sorte que le miroir renvoie la lumière vers la source à travers

a lentille convergente.

On appellera A 1 le centre de la plaque sur laquelle se trouve le F et O le centre de la lentille. Modifiez la distance source–support donc A 1O

pour obtenir sur la plaque du  F un  F à l’envers net  et mesurer avec le maximum de précision à l’aide de la règle du banc d’optique la

distance entre le F et la lentille.

Quelle est cette distance  A 1O en mètre ?   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Calculez en prenant  A 1O en mètre    C1 =  1

 A 1O = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Cette valeur C en dioptries (δ) caractérise cette lentille convergente. Arrondir sa valeur au nombre entier le plus proche.

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3–Mesure du nombre de dioptries d’une lentille divergente

Supposons 2 lentilles : L1 de valeur C1 = 2  δ  et L2 de valeur C2 = 3  δ. On admettra que si on les accole, alors elles se comportent comme

une seule lentille de valeur C  = C1 +C2  = 5  δ. Nous admettrons que cette loi reste vraie avec des lentilles convergentes ou des lentilles

divergentes.

Dans un même support, placez la lentille convergente du paragraphe précédent et une lentille divergente. Ajouter un miroir dans le même

upport ou éventuellement dans un autre de telle sorte que le miroir renvoie la lumière vers la source à travers la lentille convergente.

On appellera A le centre de la plaque sur laquelle se trouve le F et O le centre de la lentille. Modifiez la distance source–support donc AO

pour obtenir sur la plaque du  F un  F à l’envers net  et mesurer avec le maximum de précision à l’aide de la règle du banc d’optique la

distance entre le F et la lentille.

Quelle est cette distance  AO et en mètre ?   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Calculez en prenant  AO en mètre    C =   1 AO  = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Déduire de la loi des lentilles accolées la valeur    C2 de la lentille divergente   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4–Détermination de la distance focale de la lentille convergente par projection d’une image

sur un écran

4.1–Protocole

Sur le banc d’optique, placez d’un côté la source et de l’autre côté le plus loin possible l’écran. Placez la lentille entre la source et l’écran,

proche de la source, puis l’éloigner de la source jusqu’à obtenir une image nette sur l’écran. Remarque : si l’image dépasse la hauteur de

’écran, alors diminuer la distance source –écran.

4.2–Mesures

1. Mesurer la hauteur A’B’ de l’image, A’ est le point le plus bas et B’ le plus haut... .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. . .. .. .. ..

2. Mesurer la hauteur AB de la source (le F), A est le point le plus haut et B le plus bas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Me s ure r l a d is t a nc e AO s ourc e – l e nt il l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Mesurer la distance OA’ lentille–écran. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3–Schéma de l’expérience

Prendre une feuille à petits carreaux de préférence.

l faudra maintenant tenir compte des propriétés indiquées dans l’introduction du TP !

On prend l’échelle suivante :

horizontalement : 1 cm sur votre schéma représente 10 cm dans la réalité

verticalement : 1 cm sur votre schéma représente 1 cm dans la réalité

— Au milieu de la feuille tracer l’axe OF’.

— Placer la source AB tout à gauche avec A sur l’axe.

— Placer O. Représenter la lentille par une double flèche perpendiculaire à l’axe.

— Placer l’écran.

— Placer A’ et B’

4.4–Questions

1. Dessiner le rayon qui part de B, traverse la lentille en O et arrive en B’. Qu’a-t-il de particulier?

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2. Dessiner le rayon qui part de B parallèlement à l’axe, traverse la lentille et arrive en B’. En déduire la position du foyer F’. Quelle est

la distance focale?

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3. Dessiner le rayon émergent parallèle à l’axe arrivant en B’. Dessiner aussi le rayon incident sachant que le rayon qui arrive en B’

vient de B. Appeler F le point d’intersection du rayon incident avec l’axe.4. Comparer FO et OF’

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