Optique. Complément du mini laboratoire d optique. Réf : Français p 1. Version : 8005

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1 Réf : Français p 1 Complément du mini laboratoire d optique Version : 8005

2 A - Description Ce complément s utilise avec le Mini Labo d optique référence Il est composé de : - 2 diapositives indéchirables de dimension 50 x 50 mm : 1 lettre objet F et une figurine de couleur primaire. - 1 support de lentille de diamètre 40 mm. - Ecran dépoli de dimension 100 x 70 x 0,5 mm - 1 source à miroirs comprenant : Un boîtier plastique noir avec 2 miroirs latéraux, La possibilité de fixer des filtres de format diapositive sur l avant et les côtés de la source, 1 ampoule culot E10 12V, 250 ma fournie. Accessoire complémentaire (à commander séparément) : - Alimentation : 12 V continu non fournie sur douille de sécurité 4 mm. - Jeu de lentilles convergentes et divergentes de diamètre 40 mm. - Une diapositive Réseau de diffraction. B - Quelques exemples d'observations 1. La décomposition de la lumière blanche - lanterne à miroirs - fente verticale - réseau - écran blanc Schéma : FRANÇAIS 1

3 1. La lumière est décomposée: chaque lumière colorée est une composante de la lumière blanche. 2. La lumière est déviée: la composante rouge est davantage déviée que la composante violette. Des lampes différentes : des spectres différents - lanterne à miroirs - lampe à DEL - tube fluorescent (salle) - fente verticale - écran blanc Lanterne à miroirs Lampe à DEL Tube fluorescent 2. Le rôle d'un filtre 2.1. Lumières «tamisées» par des filtres successifs - lanterne - filtres rouge et vert - écran blanc. FRANÇAIS 2

4 a) Lorsque seul le filtre rouge est disposé sur le faisceau lumineux: l'écran paraît rouge. b) Si un deuxième filtre, vert, est placé parallèlement au premier, à quelques centimètres: l'écran paraît noir et ne reçoit pas de lumière. La lumière rouge ne traverse pas le filtre vert. c) Lorsqu'on inverse les deux filtres: la lumière verte ne traverse pas le filtre rouge Analyse des lumières colorées a) Le filtre rouge recouvre à moitié la fente: seule la composante rouge traverse le filtre. La composante rouge unique de cette lumière traversant le filtre correspond exactement (alignement vertical) avec la composante rouge du spectre de la lumière blanche. b) Vérification de cette correspondance dans les deux spectres avec le filtre vert. L expérience photographiée ici est réalisée avec les deux filtres simultanément. 3. La reconstitution des lumières colorées 3.1. Les lumières de couleur secondaire - lanterne à miroirs - filtres rouge, vert ou bleu, - écrans blanc et noir. Les deux filtres disposés de part et d'autre face aux deux miroirs ouverts de façon à ce que les faisceaux de lumières colorées se superposent partiellement, écran noir sur le devant de la lanterne, écran blanc. L'utilisation des deux miroirs permet l'utilisation de deux lumières colorées de même intensité. On observe sur l'écran des lumières jaune, magenta ou cyan. FRANÇAIS 3

5 3.2. Dosage des composantes du mélange de lumières - lanterne à miroirs - filtres rouge, vert ou bleu, - écrans blanc et noir. - écran dépoli. En superposant un écran dépoli translucide sur l'un des deux filtres, on atténue l'intensité de la lumière colorée correspondante, et on observe sur l'écran blanc soit une couleur orangée (rouge atténué) ou vert clair (vert atténué). On pourrait aussi observer que l'on n'obtient pas les couleurs secondaires sur l'écran blanc si on place l'un des filtres sur le devant de la lanterne, l'autre restant disposé devant l'un des miroirs. 4. La couleur des objets 4.1. Un écran diffusant est une source secondaire Lanterne (miroirs fermés) portant un écran noir avec ouverture au centre, éclairant un écran coloré. Un deuxième écran, blanc ou coloré, placé perpendiculairement au premier, renvoie (ou non) la lumière colorée diffusée par le premier Un écran diffusant se comporte comme un filtre Lanterne (miroirs fermés) portant un filtre coloré (vert), éclairant un écran qui pourrait être tout d'abord blanc (l'écran devient vert apparemment), puis noir (l'écran reste noir), puis jaune (l'écran paraît vert), et enfin rose rouge (l'écran ne diffuse pas la lumière verte et paraît gris foncé) Bilan des lumières réfléchies ou absorbées par un écran coloré. - Lanterne - fente verticale - réseau - écran blanc - écran coloré. L'écran coloré recouvre partiellement l'écran blanc sur lequel on a recueilli préalablement le spectre de la lumière blanche de la lampe. On peut alors, pour chaque lumière colorée, constater la présence ou non de la partie du spectre concerné. Par exemple, si l'écran est celui fourni dans le mini labo d'optique de couleur jaune fluorescent, les zones bleues et violettes du spectre disparaissent sur ce carré coloré et ne sont encore présentes que sur l'écran blanc disposé audessous. FRANÇAIS 4

6 Les deux écrans sans le réseau. 2- Les mêmes écrans éclairés par une lumière blanche ayant traversé le réseau. 5. Les lentilles 5.1. Les deux catégories de lentilles - lentilles convergentes et divergentes - lanterne et écrans noirs avec fente Les lentille convergentes et divergentes pourront être classées suivant leur forme (épaisseur au centre évaluée au toucher), suivant l'image d'un texte que l'on perçoit au travers de chacune d'entre elles (plus gros ou plus petit que le texte réel) ou l'image d'un paysage éloigné lorsqu'on les place devant notre œil. Dans le mini labo le texte peut être remplacé par la petite sphère. 1 - Sans lentille 2 - Lentille Lentille Lentille Lentille FRANÇAIS 5

7 Dans le mini labo, on pourra aussi observer comment se comporte la lumière issue d'une fente au travers de chacune d'entre elles, ou la lumière issue d'un petit trou formé par deux écrans à fente (fentes croisées). Cette expérience permet d insister sur le sens des mots «convergent» et «divergent» Le foyer d'une lentille convergente - Lentille - porte lentille sur un support - écran blanc - Accessoirement : lampe portant la diapositive transparente avec obstacle carré noir au centre. La grande boîte noire composant l'enceinte du mini labo est posée sur une table, son ouverture rectangulaire sur sa façade avant étant tournée vers le paysage, la cour de l'établissement par exemple (idéal avec du soleil!). Le couvercle est fermé, le côté latéral est rabattu de façon à pouvoir régler aisément les positions de l'écran placé au fond et de la lentille sur son support (axes de la lentille et de la boîte confondus). La lentille sera déplacée jusqu'à ce qu'une image nette et renversée du paysage se forme sur l'écran. La distance focale de la lentille est alors la distance séparant celle-ci de l'écran. La mesure peut être effectuée pour les lentilles +50, +100 et Autre méthode : Placer la lampe à 2 m de la boite et former l image de la lampe (LED) sur un écran. Mesurer la distance lentille écran. Comparer avec l indication sur la lentille FRANÇAIS 6

8 5.3. L'obtention d'une image nette sur un écran - lanterne DEL - écran blanc - lentille de 5cm de distance focale sur son support - bille ou boule blanche sur un support. Bille, lentille et écran sont alignés dans la boîte, et la lanterne placée à quelques centimètres de la bille l'éclaire fortement en laissant dans l'ombre lentille et écran. On règlera les distances entre ces trois éléments jusqu'à l'observation d'une image nette (à titre indicatif, on pourra placer pour commencer l'expérience la lentille à environ 8cm de la bille et à 12cm de l'écran. La lanterne à miroirs portant un écran noir à ouverture centrale carrée pourra éventuellement remplacer la bille éclairée par une DEL. On observe une image nette sur l'écran (déplacé judicieusement par rapport à la lentille) si la distance lentille-bille (ou objet carré) est supérieure à la distance focale. Si cette distance est au contraire trop petite, il n'y a plus d'image sur l'écran mais celle-ci est visible (plus grande que la diapo) lorsqu'on regarde au travers de la lentille qui joue alors le rôle de loupe Une image nette pour deux positions de la lentille - L objet figurine - La DEL - la lentille un écran blanc. Pour une distance fixe ente la figurine et l écran correspondant à la longueur de la boite, il existe deux positions de la lentille permettant d obtenir une image nette sur l écran. La première position photographiée ici (l objet utilisé est la boule blanche) correspond à une distance objet lentille plus petite que FRANÇAIS 7

9 la distance lentille objet. L image obtenue est de taille importante. La seconde position de la lentille proche de l écran, donne une petite image L'image est renversée - la lettre F - lanterne miroirs fermés - la lentille un écran blanc La lanterne (miroirs fermés) portant la lettre objet F. Sur l'écran blanc, l'image de la lettre F est renversée. Pour montrer l'inversion droite gauche, la lettre objet peut être disposée horizontalement Le rôle du centre de la lentille - lanterne portant la lettre objet F - filtre disposé sur le haut de la lettre objet - écran blanc - lentille de 10cm de distance focale. FRANÇAIS 8

10 Objet, lentille et écran seront schématisés par un trait vertical sur une feuille de papier. Les distances entre les trois appareils seront respectées à l'échelle, ainsi que leurs dimensions en hauteur. On recouvre partiellement avec un filtre un écran noir portant une fente verticale. On repèrera les hauteurs du bord du filtre sur la fente et sur l'image. On joint ces deux positions sur le schéma. On déplace le filtre sur l objet et ces nouveaux repérages donneront d'autres droites sur le schéma qui se couperont toutes sur le même point: le centre de la lentille. 6. L'œil 6.1. La «modélisation» de l'œil - lentilles de distances focales 5cm et 10cm - écran blanc, écran noir avec ouverture centrale ronde - réglet métallique - bille blanche éclairée par la lampe DEL. La lentille et l'écran blanc placé à la distance focale de celle-ci pourront matérialiser le cristallin et la rétine de l'œil. Les deux petits supports noirs portant ces deux appareils étant magnétiques, on pourra les disposer sur un réglet métallique de façon à les rendre solidaires et à distance fixe l'un de l'autre. Un troisième support peut permettre de placer devant la lentille un écran noir à ouverture centrale circulaire figurant la pupille de cet œil. La bille blanche, éclairée par la DEL (qui n'éclaire pas la l'œil modélisé), est placée à plus d'une dizaine de centimètres de la lentille, de manière à ce qu'une image nette apparaisse sur l'écran. Puis en rapprochant la bille de «l'œil», on montrera la nécessité de remplacer la lentille par une autre lentille plus bombée. On montre ainsi comment l'œil «accommode» Les défauts de l'œil - lentilles de distances focales 5cm et 10cm - écran blanc, écran noir avec ouverture centrale ronde - réglet métallique - bille blanche éclairée par la lampe DEL. En remplaçant dans l'œil «modélisé» la première lentille par une deuxième moins convergente (sans toucher à la position de l'écran-rétine), on peut décrire un œil hypermétrope avec la nécessité pour corriger le problème d'une lentille convergente. De même, un œil myope sera matérialisé par une lentille plus bombée remplaçant la première, avec une lentille correctrice divergente. FRANÇAIS 9

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