TP focométrie - La physique à l`ENSCR

TP focométrie
Ce TP est évalué à l'aide du compte-rendu pré-imprimé.
Objectifs : déterminer la distance focale de divers lentilles minces par plusieurs
méthodes.
1 Rappels
1.1 Lentilles ...
Une lentille est un milieu transparent limité par deux dioptres, les deux
peuvent être sphériques ou l’un est sphérique et l’autre est plan. Dans ce
TP, nous étudierons des lentilles minces: une lentille est mince si son
diamètre est très grand devant son épaisseur.
Le centre de la lentille est noté O et est appelé centre optique et il est
considéré comme ponctuel. Tout rayon passant par O n’est pas dévié par la
lentille.
L’axe optique de la lentille est l’axe qui passe par le centre optique O et qui
est perpendiculaire à la lentille.
On distingue deux sortes de lentille :
Figure 1 - Lentille convergente
Figure 2 - Lentille divergente
Les lentilles à manipuler dans ce TP
(cliquez pour agrandir)

1.2 Foyers
1.2.1 Foyer principal objet
Ce foyer noté F est le point dont l’image est situé à l’infini sur l’axe optique.
Tout rayon incident passant par F émerge parallèle à l’axe optique. Ainsi, on
obtient les deux constructions suivantes pour les lentilles convergente et
divergente :
Figure 3 - Lentille convergente Figure 4 - Lentille divergente
La distance est appelée distance focale objet, c’est une grandeur
algébrique. Elle est négative dans le cas d’une lentille convergente, positive dans
le cas d’une lentille divergente.
1.2.2 Foyer principal image
Ce foyer noté F’ est le point image d’un point objet situé à l’infini sur l’axe
optique. Tout rayon incident parallèle à l’axe optique émerge en passant par F’.
Ainsi, on obtient les deux constructions suivantes pour les lentilles convergente
et divergente :
Figure 5 - Lentille convergente
Figure 6 - Lentille divergente
La distance est appelée distance focale image, c’est une
grandeur algébrique. Elle est négative dans le cas d’une lentille divergente,
positive dans le cas d’une lentille convergente.

1.3 Vergence
La vergence d’une lentille permet de caractériser sa convergence ou sa
divergence. Elle est définie par :
et s’exprime en dioptrie (symbole ) si est exprimée en mètre ( ).
Cette vergence est positive pour une lentille convergente et négative pour une
lentille divergente. Plus la valeur de est grande en valeur absolue, plus la
lentille est convergente ou divergente selon le cas.
1.4 Objets et images
1.4.1 Réel ou virtuel
Objet réel : source lumineuse
placée avant la lentille ; les
rayons incidents proviennent de
cette source.
Image réelle : point où
convergent réellement tous les
rayons émergents; peut être
reçue sur un écran.
Image virtuelle : image qui ne
peut pas être matérialisée sur
un écran directement ; les
rayons émergents ne
convergent pas en ce point,
seuls leurs prolongements
fictifs (pointillés) y convergent.
Objet virtuel : le prolongement
des rayons incidents
convergent en ce point ; les
rayons incidents viendraient
converger en ce point s’il n’y
avait pas de lentille.
Figure 7 - Objet - image réels ou
virtuels
1.4.2 Points conjugués
A’ est l’image conjuguée de A si tous les rayons (ou leur prolongement) issus de
A émergent en passant par A’.

1.4.3 Formule de conjugaison de Descartes
Avec , et exprimées en mètre ( ).
1.4.4 Formule de grandissement
Avec la taille de l’objet et la taille de l’image.
2 Manipulations
2.1 Généralités
Vous disposez d’un banc d’optique gradué, tous les éléments (lentilles, objet,
écran ...) se montent sur des pieds munis de repères permettant la mesure sur
celui-ci. Attention, ce repère ne correspond pas toujours à la position de
l’élément (il faut en tenir compte).
Le banc optique
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Attention : la lampe est alimentée par une alimentation stabilisée et la tension
aux bornes de la lampe ne doit pas dépasser une certaine valeur (indiquée).
La lanterne et son alimentation
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2.2 Procédures
Reconnaître des lentilles minces ?
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Pour mesurer un grandissement , mesurer une partie de l’objet puis l’image
de cette partie et procéder au calcul.
Identification des lentilles : pour reconnaître si une lentille est convergente
ou divergente, il faut tenir la lentille à bout de bras et observer un objet
éloigné à travers cette lentille : si l’image (même floue) est inversée alors
vous tenez une lentille convergente ; sinon, elle est divergente. On peut
également tester l’effet loupe : si la lentille joue le rôle de loupe alors elle
est convergente; et plus sa vergence est grande, plus l’effet loupe est
important. Une lentille divergente ne joue pas le rôle de loupe.
Question :
Séparer les lentilles convergentes des lentilles divergentes : indiquer les
lettres des lentilles convergentes et les lettres des lentilles divergentes.
Évaluation des incertitudes : dans toutes les mesures, on estimera donc la
précision avec laquelle les résultats sont obtenus. Dans ce TP, il s’agit
souvent d’estimer une plage de valeurs acceptables et d’utiliser la formule
adéquate pour évaluer l’incertitude-type de type B. Il ne s’agit pas
seulement de remplir des tableaux : il faut aussi critiquer les résultats.
Lorsque la lentille étudiée est bombée : si on décide de ne faire qu’une seule
mesure : utiliser la "règle des 3 p" : toujours mettre la face la plus plane de
la lentille vers l’élément du banc d’optique le plus proche (écran, objet ou
autre lentille). Pour plus de rigueur expérimentale, faire 2 mesures
(important sur la lentille est très bombée) : une pour chaque face de la
lentille et faire la moyenne des 2 si la cohérence des résultats est bien là.
2.3 Lentille convergente
Appeler l’enseignant pour qu’il choisisse la lentille à étudier, toutes les méthodes
seront testées avec cette lentille: les résultats doivent concorder !
2.3.1 Autocollimation
La méthode d'autocollimation en
images
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Principe
On place contre la face de sortie de la lentille un miroir plan, on déplace
l’ensemble (lentille + miroir) jusqu’au moment où l’image A’B’ de AB apparaît
nette, sur la diapositive objet mais avec une inversion ( ). L’objet est
alors au foyer objet de la lentille : .