Niveau 4 ème Physique - Chimie Dcument du prfesseur 1/ 7 LES LENTILLES CONVERGENTES ET LES IMAGES Prgramme C. La lumière : culeurs et images ; prpagatin de signaux C2. Que se passe-t-il quand la lumière traverse une lentille? Cette séance expérimentale illustre la partie de prgramme ci-dessus, parue dans l'annexe IV à l'arrêté du 6 avril 2007 publié au BO hrs série n 6 du 19 avril 2007, afin de tenir du scle cmmun de cnnaissances et de cmpétences au cllège ( B.O. n 29 du 20 juillet 2006). Cnnaissances Capacités Exemples d'activités LENTILLES MINCES : FOYERS ET IMAGES Cmment btient-n une image à l aide d une lentille mince cnvergente? Dans certaines psitins de l bjet par rapprt à la lentille, une lentille cnvergente permet d btenir une image sur un écran. Obtenir avec une lentille cnvergente l image d un bjet sur un écran. Réceptin d images sur des écrans diffusants. Il existe deux types de lentilles minces, cnvergentes et divergentes. Une lentille mince cnvergente cncentre pur une surce élignée l énergie lumineuse en sn fyer. Sécurité : danger de l bservatin directe du sleil à travers une lentille cnvergente. Distinguer une lentille cnvergente d une lentille divergente. Truver expérimentalement le fyer d une lentille cnvergente et estimer sa distance fcale. Lentilles à brds minces et brds épais. Analyse de l effet d une lentille cnvergente u divergente sur un faisceau de lumière parallèle. Utilisatin d un lgiciel mntrant le trajet des faisceaux de lumière. [B2i] Recherche dcumentaire et présentatin : histire de l inventin de la lentille. Visualisatin du fyer de différentes lentilles minces cnvergentes et mesure de leurs distances fcales. Mise en place d une snde de température u d une feuille de papier placée au fyer d'une lentille cnvergente éclairée par le Sleil ; étymlgie du mt fyer. Recherche dcumentaire : risque d incendie avec un tessn de buteille en frêt. Mts-clé Image Lentille cnvergente et divergente Distance fcale Lupe Fyer Liste de matériel Pste élève Référence Banc d ptique : OPTIBASE 03284 Alimentatin 01983 Lentilles cmplément OPTIBASE 02872 Surce lumineuse magnétique 02268 Panneau métallique 02257 Lentille épaisse magnétique f = + 100 mm 02891 Lentille épaisse magnétique f = - 100 mm 02892 «FEUILLE ANNEXE» à phtcpier et distribuer PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 1)
Remarques, astuces Dcument du prfesseur 2/ 7 Afin d btenir des images parfaitement visibles pur les activités 1 et 2, il est imprtant de se placer dans une zne pas trp lumineuse et de pinter des bjets éclairés par le Sleil si la mété le permet. - Pur l activité 1, le rétrprjecteur dit être placé le plus lin pssible des fenêtres en dehrs d une zne éclairée directement par le Sleil. - Pur l activité 2, il est pssible de prcéder de la même manière dans la salle de classe u de travailler sus le préau du cllège. ATTENTION : dans tus les cas, il faut impérativement demander aux élèves de ne pas pinter le sleil avec les lentilles : DANGER. L activité 1 peut être traitée en démarche d investigatin. La situatin initiale serait alrs l bservatin de l image sur le plateau du rétrprjecteur avec cmme questin uverte : Qu bservez-vus? Avec quel dispsitif est-il pssible d btenir cette image. D une manière générale, les hypthèses snt émises en directin du mirir. Le prtcle expérimental imaginé par les élèves et mettant en œuvre un mirir avue alrs très rapidement ses limites puisqu il n abutit pas à la frmatin d une image. Il ne reste plus qu aux élèves à travailler avec le secnd dispsitif ptique : la lentille cnvergente et, dans ce cas, ils btiennent la frmatin d une image. Si le prfesseur n a pas le temps de faire réaliser l activité 5, il mntrera en expérience cllective, qu il n est pas pssible d btenir l image d un bjet avec une lentille divergente, justifiant par là le seul empli des lentilles cnvergentes Le prfesseur, après avir fait bserver que la lentille cnvergente cncentre l énergie lumineuse à sn fyer purra signaler que c est aussi une façn de mesurer la distance fcale de la lentille. La vergence est la grandeur permettant de mesurer l aptitude d un système à fcaliser un faisceau de lumière. Sn unité est la diptrie δ, elle se nte C. Elle est égale à l inverse de la distance fcale : C = 1 / f. Si la lentille est cnvergente, la vergence est psitive dans le cas d une lentille divergente, cette vergence est négative. Dans le cas des lentilles cnvergentes, la vergence sera d autant plus grande que la lentille sera cnvergente c est-à-dire que sa distance fcale sera faible. Si f = 25 cm sit 0,25 m alrs C = + 4 δ Si f = 5 cm sit 0,05 m alrs C = + 20 δ Lrsque deux lentilles minces snt acclées, la vergence de l ensemble est égale à la smme des vergences des deux lentilles. Prlngements. Une apprche du zm peut être prpsée dans l activité 2. En effet, à l issue des mesures, il est pssible de cnstater que si la distance fcale augmente, la taille de l image crît également, avec tutefis une perte de la lumière. Dans un appareil pht, l utilisatin du zm augmente la taille de l bjectif car l augmentatin de la distance fcale est nécessaire. Le zm est l œuvre d un ingénieur français Rger Cuvillier qui le mit au pint en 1949. Il sera cmmercialisé l année suivante sus le nm de PAN CINOR. PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 2)
Nm : Prénm : Classe : Date : Objectifs : Physique - Chimie Dcument du prfesseur 3/ 7 LES LENTILLES CONVERGENTES ET LES IMAGES - décuvrir un dispsitif d ptique permettant d btenir des images de la réalité. - étudier ce dispsitif. - utiliser ce dispsitif afin d btenir des images. ACTIVITE 1 : UNE IMAGE DE LA REALITÉ 1. Que vit-n sur la plaque de verre du rétrprjecteur phtgraphié ci-cntre? Sur le rétrprjecteur, nus puvns bserver une image de la salle de classe et de ses fenêtres En le cmparant avec d autres appareils imageurs cmme l appareil pht, le caméscpe, certains téléphnes prtables, désigner par une flèche le dispsitif qui permet l btentin d une image. 2. Descriptin de ce dispsitif : Rayer les prpsitins en italiques incrrectes. Le dispsitif permettant d btenir des images est transparent / paque. De ce fait la lumière le traverse / ne le traverse pas. Sa gémétrie est particulière : il est circulaire / rectangulaire et sn épaisseur est identique / différente aux brds et au centre. Les dispsitifs ptiques capables de dnner des images que l n peut recevir sur un écran snt appelés lentilles. 3. Les deux types de lentilles. a. Observer la frme des lentilles qui vus snt prpsées et placer-les à prximité d un texte. b. Décuper dans la «FEUILLE ANNEXE» distribuée par le prfesseur et cller ci-dessus : Dans les cadres 1 et 2 les frmes gémétriques crrespndant aux deux types de lentilles. Dans les cadres 3 et 4 l image du mt OPTIQUE que dnne chacune de ces lentilles. Dans les cadres 5 et 6 les nms de ces lentilles (barrer également les prpsitins en italiques incrrectes). Cadre 1 Cadre 2 Cadre 3 Cadre 4 Cadre 5 Brd épais / mince Centre épais / mince Cadre 6 Brd épais / mince Centre épais/ mince LENTILLES CONVERGENTES LENTILLES DIVERGENTES PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 3)
Dcument du prfesseur 4/ 7 ACTIVITÉ 2 : IMAGES D OBJETS ÉLOIGNÉS AVEC DES LENTILLES CONVERGENTES 1. Mesures : Viser un bjet éligné avec la lentille cnvergente L 1, ntée +10 δ, et chercher, sur un écran placé derrière elle, l image qu elle frme de cet bjet. Mesurer la distance séparant la lentille de l'écran. Nter cette mesure dans le tableau. Recmmencer la mesure avec un 2 ème bjet éligné. Nter cette nuvelle mesure dans le tableau. Recmmencer les mêmes expériences avec la lentille L 2, ntée +6 δ, et finir de cmpléter le tableau. bjet éligné 1 : bjet éligné 2 : Lentille L 1, ntée +10 δ 10 cm 10 cm Lentille L 2, ntée +6 δ 16 cm 16 cm Pur quelle lentille l'image btenue est-elle la plus grande? L image est la plus grande pur la lentille + 6 δ. Tutefis, sa luminsité est plus faible. 2. Observatins. Rayer les prpsitins en italiques incrrectes. - Les images btenues snt drites / inversées. - Pur une même lentille, les distances entre cette lentille et les images de l'bjet éligné snt les mêmes / différentes. - Pur des lentilles différentes, les distances entre ces lentilles et les images de l'bjet éligné snt les mêmes / différentes. Cnclusin : cmpléter les phrases ci-après : L image d un bjet éligné se frme tujurs à la même distance d une lentille cnvergente. Cette image est inversée par rapprt à la réalité. La distance qui sépare le centre O de la lentille cnvergente de l image d un bjet éligné est appelée distance fcale, elle est ntée f. 3. Applicatins : - Quelle est la distance fcale de la lentille + 10 δ? 10 cm - Quelle est la distance fcale de la lentille + 6 δ? envirn 16 cm (16,6 cm) 4. Schématisatin : sur cette représentatin, la distance fcale de la lentille vaut 2 cm. Décuper dans l annexe, l image de ce palmier très éligné et la cller cnvenablement dans ce schéma. 5. Lentille cnvergente et énergie : Diriger maintenant la lentille vers une surce de lumière intense et élignée (tel le Sleil) et bserver la tache lumineuse btenue à sn fyer. Cmpléter la phrase ci-dessus en rayant la mentin inutile : La tache lumineuse btenue au fyer de la lentille est étendue/quasi pnctuelle. PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 4)
Dcument du prfesseur 5/ 7 Cnclusin : une lentille cnvergente cncentre à sn fyer l énergie lumineuse qu elle reçit d une surce élignée. Cela peut être surce de dangers (brûlures graves, initiatin d incendies ) : ainsi il ne faut jamais regarder le Sleil à travers une lentille cnvergente. ACTIVITE 3 : La trajectire des rayns de lumière (expérience prfesseur) 1. Rechercher dans le dictinnaire la significatin du mt cnvergent. Qui se dirige vers un même pint. 2. Après avir bservé l expérience prfesseur, cmpléter, sur le schéma ci-dessus, la trajectire des rayns de lumière: La distance OF est la distance fcale de la lentille, n la nte f : OF = f 3. Pur quelle raisn, cette lentille est-elle appelée lentille cnvergente? Les rayns srtant de la lentille se dirigent vers un même pint (le fyer image de la lentille). ACTIVITE 4 : Obtentin de l image d un bjet de plus en plus prche de la lentille cnvergente Utilisatin du banc ptique. Réalisez le mntage représenté ci-dessus en respectant les cnsignes de la première clnne du tableau et remplissez ce tableau en rayant les mentins inutiles. La lentille utilisée est une lentille cnvergente de distance fcale 10 cm. Distance Image Objet - lentille 40 cm Observable sur l écran / Grande / nn bservable sur l écran petite 11 cm Observable sur l écran / Grande / nn bservable sur l écran petite 9 cm Observable sur l écran / Grande / nn bservable sur l écran * petite * placer l œil à la place de l écran et indiquer ce que vus vyez : Drite / inversée Drite / inversée Drite / inversée Distance lentilleimage Grande / petite Grande / petite Grande / petite? A travers la lentille, nus bservns l image de l bjet. Cette image est grande et drite. PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 5)
Dcument du prfesseur 6/ 7 Cnclusin : Rayer les prpsitins en italiques incrrectes et cmpléter le dernier mt : Une lentille cnvergente permet d btenir des illusins / des images d bjets réels. Si l bjet est à une distance supérieure à la distance fcale de la lentille cnvergente : - l image est / n est pas bservable sur un écran, elle est alrs drite / inversée. Si l bjet est relativement prche de la lentille, - l image est grande / petite. Si l bjet est à une distance inférieure à la distance fcale de la lentille cnvergente, - l image est / n est pas bservable sur un écran, elle est alrs drite / inversée et grande / petite. La lentille cnvergente devient alrs une lupe. Applicatin : cmpléter Une lentille cnvergente de distance fcale 10 cm permet d btenir une image inversée d un bjet sur un écran si la distance bjet - lentille est supérieure à 10 cm. ACTIVITÉ 5 : ET AVEC UN LENTILLE DIVERGENTE? Reprendre les expériences précédentes (Activité 4) avec une lentille divergente. Arrive-t-n à btenir une image de l bjet sur l écran? : nn Cmpléter la phrase suivante : Seules les lentilles cnvergentes permettent, sus certaines cnditins (bjet situé à une distance de la lentille supérieure à la valeur de la distance fcale), d btenir sur un écran l image d un bjet. PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 6)
Dcument du prfesseur 7/ 7 PIERRON 2007 Lentilles cnvergentes et images (page 7)