MPS : lentilles optiques Paillasse élèves : - Banc d`optique

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MPS : lentilles optiques
Paillasse élèves :
- Banc d’optique
- Lampe avec lettre-objet
- Support pour lentille
- Lentille de + 10  ; une lentille divergente -8
- Support avec écran
- Ordinateur (à vérifier)
- tableau magnétique avec lentilles convergentes et divergentes
I) généralités sur les lentilles ...................................................................................................................................... 1
1) lentille divergente et convergente ..................................................................................................................... 1
2) pourquoi la lumière est déviée lorsqu’elle traverse une lentille ? ............................................................ 3
3) lentilles utilisés pour corriger les défauts de l’œil, historique .................................................................... 3
II) modélisation de l’œil et de l’appareil photographique .................................................................................... 5
1) Les 3 conditions de visibilité................................................................................................................................ 5
2) quelle est l’anatomie « physicienne » de l’œil ? ............................................................................................. 5
3. Analogie avec l’appareil photographique ........................................................................................................... 6
III) image et objet ....................................................................................................................................................... 7
1) définition .................................................................................................................................................................... 7
2) caractéristiques d'une image .............................................................................................................................. 7
IV) étude la lentille convergente ................................................................................................................................ 8
1) points et rayons particuliers pour une lentille convergente ................................................................... 8
Foyers objet F et image F‘ ........................................................................................................................................ 8
2) plans focaux objet et image ................................................................................................................................ 8
3) distance focale image f’ et vergence V ............................................................................................................ 8
4) détermination expérimentale de la distance focale d’une lentille ........................................................... 9
V) relations de conjugaison et de grandissement .................................................................................................. 9
1) construire graphiquement l’image d’un objet par une lentille .................................................................... 9
2) image virtuelle........................................................................................................................................................ 10
3) image rejetée à l’infini ........................................................................................................................................ 10
4) Objet provenant de l'infini ................................................................................................................................ 10
5) relation de conjugaison et de grandissement ............................................................................................... 10
I) généralités sur les lentilles
1) lentille divergente et convergente
Il existe 2 types de lentilles :
- les lentilles convergentes.
- les lentilles divergentes
Lorsqu’on pose une lentille convergente sur un texte quelconque puis qu’on l’éloigne, l’image du texte à
travers la lentille est grossie. Pour une lentille divergente l’image du texte est rétrécie.
Q1 :il y a 2 lentilles posées sur votre table. Déterminer
quelle est la lentille divergente et celle qui est
convergente.
Compléter le texte suivant :
Une lentille convergente ou divergente est un milieu
_____________ limité par deux surfaces dont l’une au
moins n'est pas plane. En optique, on utilise

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généralement des lentilles possédant 2 faces convexes ou ______________________. Les lentilles
convergentes possèdent des bords plus ____________ que le centre. Pour les lentilles divergentes,
c'est l'inverse, les bords sont plus _______________que le centre.
Q2 : compléter le tableau suivant
Type de lentille
Symbole
Lentille ___________________
avec dans l’ordre une face
______________ et une face plane,
2 faces _____________, une face
______________ et une face
convexe
Lentille ____________________
avec dans l’ordre une face
______________ et une face plane,
2 faces _____________, une face
______________ et une face
convexe
Q3 : Utiliser l’animation de Geneviève Tulloue ‘Lentille
sphérique mince université du Mans ‘et expliquer pourquoi
une lentille est dite convergente ou divergente
Réponse :
Q1 : Une lentille convergente ou divergente est un milieu
transparent limité par deux surfaces dont l’une au moins
n'est pas plane. En optique, on utilise généralement des
lentilles possédant 2 faces convexes ou concave. Les lentilles convergentes possèdent des bords plus
minces que le centre. Pour les lentilles divergentes, c'est l'inverse, les bords sont plus épais que le
centre.
Q2 :
Type de lentille
Symbole
Lentille convergente avec dans
l’ordre une face convexeet une face
plane, 2 faces convexes, une
faceconcave et une face convexe
Lentille divergente avec dans l’ordre
une face concave et une face plane, 2
faces concaves, une face concave et
une face convexe.
Q3 :une lentille est convergente si les rayons lumineux qui sortent de cette lentille converge vers
l’axe optique de la lentille, une lentille est divergente si les rayons lumineux en sortie de la lentille
diverge donc s’éloigne de l’axe optique.

3
2) pourquoi la lumière est déviée lorsqu’elle traverse une lentille ?
Lorsqu'un rayon arrivant au-dessus de l'axe de symétrie de la lentille (que nous appellerons axe
optique) atteint la surface d'une lentille convergente, les lois de la réfraction nous disent qu'il est
dévié vers l'axe optique. Le rayon se rapproche de celui-ci. Il converge.Dans le cas d'une lentille
divergente, le rayon incident est quant à lui dévié en s'écartant de l'axe optique.
Q4 : combien de réfraction subit un rayon lumineux traversant une lentille ?
Q5 :annoter le schéma ci-dessus avec les indications suivantes :
- première normale à la surface
- seconde normale à la surface
i1 : angle d’incidence du rayon
i2 : angle de la première réfraction
i3 : angle d’incidence du rayon traversant le verre
i4 : angle de la seconde réfraction
Q6 : Sachant que l’indice de réfraction de la lentille en verre est n2 = 1,5 et que l’angle d’incidence
est i1 = 20° (l’indice de réfraction de l’air étant n1 = 1,0) calculer l’angle de la première réfraction i2.
3) lentilles utilisés pour corriger les défauts de l’œil, historique
Q7 : donner des noms de systèmes optiques utilisant des lentilles
Réponse : lunette astronomique, jumelle, microscope, lunette, verre de contact,
On se limitera aux lentilles utilisées pour corriger les défauts de l’œil. Lire le texte suivant et
répondre aux questions.
Article Wikipédia
C'est à Ninive, ancienne capitale de l'empire assyrien, qu'au XIXe siècle, Sir Austen Henry
Layard découvre les premiers verres lentiformes, dans des couches datant de4 000 ans avant notre
ère. On ignore à quoi ils servaient exactement mais cette découverte soulève de nombreuses
questions car cette ville fut pendant longtemps le grand centre commercial et culturel du Moyen-
Orient, et parce que la vulgarisation des connaissances acquises est une
pratique rare dans l'Antiquité.Les premières mentions sans équivoque de
l'utilisation d’une lentille proviennent de la Grèce
antique. Aristophane évoque notamment dans sa pièce Les Nuées , écrite

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en 423 av. J.-C., un « verre à feu » (une lentille convexe utilisée pour produire du feu en focalisant
le rayonnement solaire). Les écrits de Pline l'Ancien (23-79) montrent également qu’un tel dispositif
était connu dans l’Empire romain. Ils mentionnent ce qui peut être interprété comme la première
utilisation d’une lentille pour corriger la vue en décrivant l’utilisation que
fait Néron d’une émeraude de forme convexe lors des spectacles de gladiateurs (probablement pour
corriger un défaut de vision). Sénèque (3 av. J.-C. - 65) décrit l’effet grossissant d’un globe en verre
rempli d’eau.Le mathématicien arabe Alhazen (965-1038), a écrit le premier traité d'optique qui
décrit comment le cristallin forme une image sur la rétine.Les lentilles n’ont cependant pas été
utilisées par le grand public avant la généralisation des lunettes de vue, probablement inventées
en Italie dans les années 1280.L'origine de ces premières besicles (voir photo) reste aujourd'hui
encore largement méconnue : ils sont trois, deux Italiens -Alexandro Spina, Salvino d'Armato- et un
Anglais -Roger Bacon-, à revendiquer la paternité de l'invention. Une chose est sûre : les lunettes
apparaissent dans le milieu monastique, les moines étant alors les seuls à savoir lire et écrire.
Jusqu'au 16e siècle, lorsqu’ils sont atteints de presbytie (ils doivent augmenter la distance entre
l’objet à observer et leur œil), ils auront à leur disposition qu'un seul type de besicles, des lunettes
aux verres minéraux convexes pour pouvoir voir de près et recopier leurs manuscrits sacrés. Les
myopes, qui voient flou les objets éloignés, attendront la Renaissance pour utiliser des lunettes
fabriquée à partir de lentilles divergentes pour corriger leur défaut de l’œil. Quelques modèles de ces
premières besicles sont exposés au musée de la lunette : grossièrement taillées dans une monture
monobloc ou constituées de verres enchâssés et reliés par un axe central, certaines sont en cuir
bouilli, en écaille de tortue ou encore en laiton et en cuivre. Si pendant 500 ans, la forme des besicles
n'évolue guère, les lunettes vont connaître une mutation importante au 18e siècle avec l'apparition de
petites branches, tenant sur les tempes. La collection Essilor - Pierre Marly, conservée à Morez,
comprend plusieurs de ces modèles, dont des lunettes à tempes tout en argent ayant appartenues à
l'une des filles de Louis XV, Victoire de France.
Quelques dates
XIIIe siècle : les origines
Auparavant, les moines utilisaient des loupes de lecture, posées à même le texte, pour grossir les caractères. Avant de
parvenir au concept de « lunettes », il fallut encore fixer deux manches de ces loupes par un clou, pour les porter sur le
nez. Ce furent les premières « bésicles clouantes ». La paternité de l’invention reste un sujet de controverse : revient-
elle au moine Roger Bacon, mort en 1294, ou au Florentin Salvino degli Armati, mort en 1317 ? Mystère…
Moyen Âge : le développement
De nombreuses gravures et dessins du Moyen Âge témoignent de personnages portant bésicles, au point de faire des
anachronismes en peignant des saints binoclards. Utilisées principalement par les moines et les savants, leur usage va
exploser avec l’invention de l’imprimerie, qui démocratise l’acte de lecture. Maintenir en équilibre ses bésicles sur le
nez demeure cependant un exercice périlleux, car les branches n’existent toujours pas.
De la Renaissance au XVIIIe siècle : la mode a du nez
Les lunettes, ça se voit comme le nez au milieu de la figure. Les binocles vont donc devenir un objet de mode de plus
en plus raffiné.
 1440 : grosse actualité pour les myopes ; les verres concaves apparaissent à Florence. Avant, seuls les
astigmates utilisaient les « lunettes ».
 1508 : Léonard de Vinci, dans son « Codex de l’œil », décrit une méthode pour modifier la cornée, dans ce qui
est considéré comme l’ancêtre des lentilles de contact.
 1728 : les lunettes à tempes. Il faut attendre l’invention d’un opticien anglais, Edward Scarlett, pour voir les
premières lunettes à branches, notablement courtes pour faciliter le port des perruques. Mais les branches, par
la pression exercée sur les tempes, donnent des maux de tête aux lecteurs aguerris. Les lunettes sans branches
resteront donc la mode jusqu’aux environs des années 1930.
 XVIIIe siècle : les lunettes deviennent un accessoire de distinction sociale, et les lunetiers rivalisent
d’inventivité pour convaincre les clients de poser leurs créations sur leur nez. Lorgnon, lorgnette, mini-
longue-vue, binocles ciseaux tenus par la main comme pour couper le nez, etc., les lunettes sont un point de
rencontre entre la médecine et la mode.

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XIXe siècle-1930 : monocles, binocles et pince-nez
D’objet de distinction sociale, le verre correcteur se veut de plus en plus pratique. Les hommes portent leur monocle
galamment attaché à leur veston, telle une montre gousset. Les binocles possèdent un système de pince-nez pour tenir
plus efficacement. Le verre correcteur reste un objet extérieur au corps, que l’on met puis que l’on enlève.
 1825 : grosse actualité pour les astigmates ; les verres correcteurs de l’astigmatisme apparaissent.
 1887 : les premiers verres de contact sont créés. Ce sont des lentilles lourdes et peu confortables, en verre
soufflé.
XXe siècle : branches de lunettes, technologie et lentilles
Les branches de lunettes se généralisent enfin. Les innovations technologiques s’intensifient, comme en témoigne le
rythme des avancées majeures : verres allégés, incassables, amincis, antireflets, « verres » en plastique, qui
« bannissent » les rayons UV, permettent de voir en 3D… Les lunettes ne sont plus un accessoire que l’on garde en
poche, mais elles figurent la personnalité de leur propriétaire.Parallèlement, les formes des lunettes deviennent des
marqueurs d’époque (petites et rondes dans les années 1930-1940, Ray-Ban et gros cadre pour Buddy Holly et les
aviateurs des années 1950, « papillon » dans les années 1960 et 1980, montures très fines en 2000).
1952 : les lunettes en 3D (rouge/vert) fleurissent sur les nez, surtout aux États-Unis.
 1959 : grosse actualité pour les presbytes ; Bernard Maitenaz crée Varilux, le premier verre progressif.
 1961 : invention des lentilles de contact souples par le chimiste tchèque Otto Wichterle, grâce à l’utilisation
d’un hydrogel.
 1971 : les premières lentilles souples sont commercialisées.
Années 2000 : les lunettes, interfaces de nos vies augmentées
Les lunettes ne sont plus simplement le fruit d’innovations technologiques, elles intègrent les autres technologies : des
verres permettent de regarder des films en 3D avec un confort remarquable, tandis que les « smart lunettes » sont
l’interface privilégiée pour vivre les services offerts par les nouvelles technologies. Les montures ne sont plus un outil
encombrant qui pèse sur le nez, mais un moyen d’immersion dans la vie numérique.
 2013 : des lentilles connectées ? Des scientifiques coréens mettent au point des lentilles à LED, connectées à
l’iris de l’œil. La lunette se rapproche du cerveau ! On parlera de technologie à porter « en soi ».
Q8 : donner le nom et, quand c’est possible la date des 6 grandes inventions permettant à l’homme de
corriger les défauts de l’œil.
Q9 : quels sont les noms et les définitions (à trouver sur internet) des 4 grands défauts de l’œil.
,
II) modélisation de l’œil et de l’appareil photographique
1) Les 3 conditions de visibilité
Pour être visible un objet doit soit :
1. produire de la lumière (le soleil)
2. la diffuser (la Lune)
3. la lumière produite ou diffusée doit pénétrer dans l’œil de l’observateur.
2) quelle est l’anatomie « physicienne » de l’œil ?
Cliquer sur l’animation ‘ Gastebois, l’œil’ puis répondre aux
questions Q1 à Q8
L’œil est constitué de trois parties principales :
- l’ensemble pupille-iris
- le cristallin
- La rétine
Légender le schéma de l’œil avec les mots cristallin, rétine, pupille
et iris
Q1 : A quelles conditions un objet peut-il être visible par un œil
3 ?
Q2 : Régler la distance objet-œil à 25 cm sur l’animation. L’image sur la rétine est-elle nette ?
Quelles sont les 2 façons de rendre l’image nette sur la rétine ?
Q3 : Quel est le rôle du cristallin ?
Q4 : Quel est le rôle de la rétine ?
Q5 : Quel est le rôle de l’ensemble pupille-iris ?