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Tester expérimentalement les propriétés de la lentille mince convergente

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Objectif

Vérifier expérimentalement les propriétés d’une lentille mince convergente.

Points clés
  • Les lentilles minces convergentes font converger les rayons lumineux.
  • Les lentilles minces convergentes forment une image virtuelle droite et agrandie d’un objet situé proche de la lentille.
  • Les lentilles minces convergentes forment une image réelle inversée d’un objet situé loin de la lentille de la lentille.
  • Les lentilles minces convergentes ont les trois propriétés suivantes.
    • Tout rayon passant par le centre optique n’est pas dévié.
    • Tout rayon incident parallèle à l’axe optique émerge de la lentille en passant par le foyer image F'.
    • Tout rayon passant par le foyer objet F émerge de la lentille parallèle à l’axe optique.
Pour bien comprendre
  • Distance focale, centre optique, foyer objet et image
  • Lentille mince convergente
  • Relation de conjugaison
1. Les caractéristiques d'une lentille mince convergente
a. Bords de la lentille
Expérience et observation

Si on touche la lentille mince convergente, on remarque qu’elle possède des bords fins et un centre épais.

Interprétation

La lentille mince convergente biconvexe possède 2 bords convexes.


Lentille mince convergente biconvexe
b. Centre optique
Expérience et observation

On fait passer un rayon lumineux par le centre O de la lentille mince convergente.

On remarque que ce rayon lumineux ne subit aucune dérivation.

Interprétation

Ce point O est appelé centre optique. Tout rayon qui passe par le centre optique n’est jamais dévié.

On schématise cette propriété du centre optique par le schéma suivant.


Schéma de l’expérience
c. Foyer image
Expérience et observation

On envoie un faisceau de rayons parallèles à l’axe optique optique sur la lentille mince convergente.

On remarque que ces rayons lumineux traversent la lentille mince convergente puis convergent en un seul point.

Interprétation

Ce point est appelé foyer image F' de la lentille. Tout rayon qui arrive parallèle à l’axe optique ressort de la lentille en convergeant vers le point focal image F'.

On schématise cette expérience de la manière suivante.


Schéma de l’expérience

La distance  est appelée distance focale. Elle sépare la lentille de son foyer image F', point sur l’axe optique où tous les rayons lumineux convergent.

Remarque
Si on place la lentille mince convergente entre le soleil et un écran, il existe une distance lentille-écran qui permet de visualiser un point lumineux sur la feuille. Ce point peut s’enflammer si on poursuit suffisamment longtemps l’expérience.
d. Foyer objet
Expérience et observation

On émet un faisceau de rayons lumineux à partir d’un point particulier de la lentille mince convergente.

On remarque que les rayons sortent de la lentille parallèle à l’axe optique.

Interprétation

Il existe un point sur l’axe principal tel que tout rayon passant par ce point et traversant la lentille mince convergente sort parallèlement à l’axe optique. On l’appelle foyer objet F de la lentille.


Foyers d’une lentille mince convergente
Remarque
Une lentille mince convergente peut être utilisée indifféremment dans les deux sens car les distances  et  sont égales.
2. L'obtention d'une image nette
a. Objet proche de la lentille
Expérience et observation

On lit un texte au travers d’une lentille mince convergente.

On remarque que le texte est agrandi au travers de la lentille mince convergente.

Interprétation

L’œil voit l’image A'B' de l’objet AB qui se forme en arrière de l’objet.

L’image A'B' est donc virtuelle car elle est située dans l’espace objet.

Le schéma suivant permet de mieux comprendre comment se forme l’image.


Vision de près au travers d’une lentille mince convergente

L’image A'B' étant virtuelle, elle ne peut pas être projetée sur un écran.

b. Objet éloigné de la lentille
Expérience et observation

On place sur un même axe :

  • une source lumineuse émettant un faisceau parallèle ;
  • un objet (lettre découpée) ;
  • une lentille mince convergente biconvexe ;
  • un écran mobile.

Schéma de l’expérience

On remarque que pour une unique position de l’écran, on obtient une image nette inversée de l’objet : l’objet est visible mais à l’envers.

Interprétation

L’œil voit l’image réelle de l’objet qui se forme derrière la lentille. Le schéma suivant, qui regroupe le tracé des trois rayons, permet de mieux comprendre comment se forme l’image.


Vision de loin au travers d’une lentille mince convergente

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