OPTIQUE – TRAVAUX PRATIQUES N° 1 : Etude des lentilles minces

TSI1 - Lycée Pierre-Paul Riquet
1
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.
Observer un objet à travers une lentille et faire varier la distance
objet-lentille.
 Notez vos observations.
 Expliquer ces derniers faits à l’aide de constructions.
II. Etude d’une lentille convergente
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.
Installer la lentille convergente L de distance focale f’ environ égale à
20 cm sur son support, la bloquer avec le clip.
Placer un miroir plan après la lentille. Déplacer l’ensemble lentille-
miroir jusqu’à ce que l’image se forme nettement dans le plan de l’objet
lumineux.
La distance objet-lentille est alors égale à la distance focale de la
lentille étudiée. Noter la valeur correspondante.
 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.
a) Stigmatisme approché
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.
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 ?
Visualiser également les irisations colorées sur les bords de l’image,
variant si on fait translater l’écran (aberrations chromatiques).
 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.
Essayer des tailles décroissantes de diaphragme.
 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
2
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
Mesurer la taille de l’objet
AB
.
Pour les distances lentille-objet
OA
suivantes, mesurer à chaque fois la
position
'OA
et la taille algébrique,
'B'A
de l’image.
Remplir la tableau suivant.
OA
(mm)
–250
–300
–350
–400
'OA
(mm)
'B'A
(mm)
 Tracer
OAOA
1
'
1
. En déduire la focale de la lentille étudiée.
 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 ?
Placer l’écran à une distance d = 100 cm de l’objet. Déplacer lentement
la lentille L entre objet et écran. Qu’observez-vous ?
Déterminer la distance D entre les deux positions de la lentille.
Mesurer également les tailles des images sur l’écran.
 Montrer par le calcul que si d > 4f’, il existe deux positions de la
lentille donnant une image nette sur l’écran.
 Montrer que le produit des grandissements transversaux
correspondant à chaque position vaut 1. Vérifier cette propriété.
Application : mesure de la distance focale par la méthode de Bessel
Notant D la distance entre ces 2 positions, déduire des calculs précédents
que
d
Dd
f4 '22 
. Déduire des mesures précédentes la valeur de f’.
3) Effet loupe : formation d’une image virtuelle
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.
Pour repérer la position de l’image virtuelle, on va réaliser un « viseur » à
mise au point fixe.
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.
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.
Mesurer le grandissement transversal du viseur.
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 la distance entre les 2 lentilles OOV et la taille de l’image
A ‘’B’’ sur l’écran du viseur.
Recommencer pour
OA
= – 40 mm puis remplir le tableau ci-dessous.

TSI1 - Lycée Pierre-Paul Riquet
3
 Exprimer
'OA
en fonction de D et de la distance OOv entre les deux
lentilles.
OA
(mm)
–100
–40
OOV(mm)
'OA
(mm)
'''' BA
(mm)
'B'A
(mm)
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
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.
 Déterminer, à l’aide des valeurs de f’ trouvées expérimentalement, la
distance focale f2’ de la lentille divergente.
2) Méthode de Badal
Placer l’objet lumineux dans le plan focal objet d’une lentille de focale
environ 10 cm par autocollimation.
A environ 40 cm après placer la lentille L. Chercher l’image à l’aide de
l’écran.
Que vaut la distance entre L et l’image sur l’écran ?
Placer alors la lentille divergente L2 de manière à ce que son centre
optique coïncide avec le foyer objet de L.
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.
 En appliquant la relation de conjugaison de Newton
2
''. fFAFA 
à
L, montrer que
d
f
f2'
2'
.
 En déduire la valeur de f’.
 La méthode de Badal peut-elle s’appliquer à une lentille convergente, à
quelle condition ?