OPTIQUE – TRAVAUX PRATIQUES N° 1 : Etude des lentilles minces
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TSI1 - Lycée Pierre-Paul Riquet OPTIQUE – TRAVAUX PRATIQUES N° 1 : Etude des lentilles minces I. Identification rapide de la nature d’une lentille Vous disposez d’une boîte de lentilles convergentes et divergentes. On peut identifier la nature convergente ou divergente de la lentille en comparant l’épaisseur des bords à l’épaisseur du milieu : une lentille à bords épais est divergente, une lentille à bords minces est convergente. Justifier cette méthode en réalisant la construction géométrique correspondante. Que peut-on dire du grandissement transversal ? La distance lentille-miroir peut-elle varier ? 2) Formation d’une image réelle à partir d’un objet réel Seule une lentille convergente permet de former une image réelle à partir d’un objet réel. Observer un objet à travers une lentille et faire varier la distance objet-lentille. a) Stigmatisme approché Notez vos observations. Expliquer ces derniers faits à l’aide de constructions. Installer la lentille L convergente de focale f’ = 20 cm sur son support, bien la bloquer à l’aide du clip. La placer à 25 cm de l’objet. II. Etude d’une lentille convergente Installer également l’écran gradué sur son support. En faisant coulisser l’écran sur le banc, essayer de former l’image dessus. Arrive-t-on à l’obtenir parfaitement nette ? 1) Mesure de la distance focale par la méthode d’autocollimation Allumer le projecteur situé à gauche du banc d’optique, vérifier que l’index repérant sa position est bien sur zéro. Le F lumineux servira d’objet réel dans les expériences qui vont suivre. Visualiser également les irisations colorées sur les bords de l’image, variant si on fait translater l’écran (aberrations chromatiques). Installer la lentille convergente L de distance focale f’ environ égale à 20 cm sur son support, la bloquer avec le clip. Faire un schéma pour expliquer les aberrations chromatiques. Pour être dans les conditions de Gauss, on peut limiter l’inclinaison des rayons arrivant sur la lentille à l’aide d’un diaphragme. Placer un miroir plan après la lentille. Déplacer l’ensemble lentillemiroir jusqu’à ce que l’image se forme nettement dans le plan de l’objet lumineux. Essayer des tailles décroissantes de diaphragme. La distance objet-lentille est alors égale à la distance focale de la lentille étudiée. Noter la valeur correspondante. 1 Conclure quant à l’amélioration de la netteté de l’image. Quel(s) inconvénient(s) peut présenter l’utilisation d’un diaphragme ? TSI1 - Lycée Pierre-Paul Riquet Dans la suite des expériences, on pourra améliorer la netteté de l’image en utilisant le diaphragme de taille moyenne. b) Vérification de la relation de conjugaison Application : mesure de la distance focale par la méthode de Bessel Mesurer la taille de l’objet AB . Notant D la distance entre ces 2 positions, déduire des calculs précédents Pour les distances lentille-objet OA suivantes, mesurer à chaque fois la que f ' position OA' et la taille algébrique, A ' B ' de l’image. OA (mm) d 2 D2 . Déduire des mesures précédentes la valeur de f’. 4d 3) Effet loupe : formation d’une image virtuelle Remplir la tableau suivant. –250 Montrer que le produit des grandissements transversaux correspondant à chaque position vaut 1. Vérifier cette propriété. –300 –350 Placer la lentille L à 10 cm de l’objet. En regardant à travers, on voit l’image virtuelle du F lumineux, droite et agrandie (effet de loupe). Bien vérifier qu’on ne peut jamais la former sur l’écran. –400 OA' (mm) Pour repérer la position de l’image virtuelle, on va réaliser un « viseur » à mise au point fixe. A ' B ' (mm) Il est constitué d’une lentille convergente LV de focale fV’ = 20 cm et d’un écran maintenu à distance fixe t de LV, le « tirage », choisie par l’expérimentateur. Sur cet écran se forme l’image de tout objet situé avant la lentille LV, à une distance unique D fonction de t et LV. Le viseur ainsi conçu permet de repérer la position d’un objet lumineux inaccessible. 1 1 . En déduire la focale de la lentille étudiée. OA ' OA Tracer Vérifier les relations de grandissement transversal. c) Influence de la distance objet-écran Placer l’écran à une distance d = 70 cm de l’objet. Déplacer la lentille L entre objet et écran. Qu’observez-vous ? Enlever la lentille d’étude L, placer LV à 400 mm de l’objet lumineux, puis l’écran pour obtenir une image nette, mesurer alors la distance t (LV-écran) et fixer l’ensemble à l’aide d’une tige métallique. Placer l’écran à une distance d = 100 cm de l’objet. Déplacer lentement la lentille L entre objet et écran. Qu’observez-vous ? Mesurer le grandissement transversal du viseur. Déterminer la distance D entre les deux positions de la lentille. Remettre la lentille L à 10 cm de l’objet. L’image virtuelle donnée par L est objet pour LV. Déplacer l’ensemble LV-écran jusqu’à obtenir une image nette sur l’écran. Mesurer également les tailles des images sur l’écran. Mesurer la distance entre les 2 lentilles OOV et la taille de l’image A ‘’B’’ sur l’écran du viseur. Montrer par le calcul que si d > 4f’, il existe deux positions de la lentille donnant une image nette sur l’écran. Recommencer pour OA = – 40 mm puis remplir le tableau ci-dessous. 2 TSI1 - Lycée Pierre-Paul Riquet 2) Méthode de Badal Exprimer OA' en fonction de D et de la distance OOv entre les deux lentilles. OA (mm) –100 Placer l’objet lumineux dans le plan focal objet d’une lentille de focale environ 10 cm par autocollimation. –40 OOV(mm) A environ 40 cm après placer la lentille L. Chercher l’image à l’aide de l’écran. OA' (mm) Que vaut la distance entre L et l’image sur l’écran ? A' ' B'' (mm) Placer alors la lentille divergente L2 de manière à ce que son centre optique coïncide avec le foyer objet de L. A ' B ' (mm) Déplacer l’écran pour trouver la position de la nouvelle image. Déterminer la distance positive d entre la nouvelle et l’ancienne position de l’image. III. Mesure de la distance focale d’une lentille divergente Aucune des méthodes utilisées précédemment ne convient pour ce type de lentille utilisée seule. 1) Réalisation d’un doublet accolé avec une lentille convergente 2 L, montrer que f 2 ' Utiliser une lentille convergente L1 d’environ 5 cm de focale, déterminer sa distance focale f1’ exacte par autocollimation. Lui accoler la lentille divergente L2 de focale environ égale à -10 cm. Déterminer la distance focale f’ du doublet par la méthode d’autocollimation. En appliquant la relation de conjugaison de Newton FA.FA' f ' à Déterminer, à l’aide des valeurs de f’ trouvées expérimentalement, la distance focale f2’ de la lentille divergente. 3 f '2 d . En déduire la valeur de f’. La méthode de Badal peut-elle s’appliquer à une lentille convergente, à quelle condition ?
