TP SP4 - Étienne Thibierge

TP SP4 Langevin–Wallon, PTSI 2016-2017
Lentilles minces
Au cours de la séance, vous rédigerez un compte-rendu dans votre cahier de TP. Un bon compte-rendu doit faire
figurer l’objectif de l’expérience, un protocole expérimental accompagné d’un schéma et le résultat des mesures
accompagné d’une discussion des incertitudes. Pour vous aider, plus de détails sont parfois donnés au fil de
l’énoncé. Bien que n’étant pas toujours rappelés, les éléments cités ci-dessus sont un minimum qui doit apparaître
à chaque expérience.
Un compte-rendu de TP n’est ni un brouillon, ni une copie : sa vocation première est d’être un outil pour vous aider
à réutiliser en autonomie les techniques étudiées. N’hésitez pas à me solliciter si vous vous interrogez sur l’intérêt
d’écrire certains détails dans le compte-rendu !
Un binôme présentera son travail au reste de la classe en fin de séance et quelques cahiers seront évalués.
Matériel :
.Boîte de lentilles minces de différentes focales ;
.Lampe halogène et verre dépoli ;
.Objet optique type diapositive ou lettre ;
.Un miroir plan ;
.Banc d’optique et écran.
Documents :
.Fiche « Mesures et incertitudes » (classeur de TP) ;
.Notice simplifiée du logiciel Regressi (classeur de TP) ;
.Annexe sur l’autocollimation et animation en ligne.
Le but de ce TP est de (re)découvrir l’utilisation du matériel d’optique, en particulier les lentilles minces conver-
gentes. Ce sera également l’occasion de travailler sur l’estimation des incertitudes et la régression linéaire. La partie 3
est la plus importante du TP : vous avancerez donc rapidement sur le début du TP, en particulier la première partie.
Un autre but avoué du TP est de vous apprendre à ne pas mettre vos doigts sur les lentilles !
1 Formation d’une image (20 minutes)
Identifier dans la boîte les lentilles convergentes et les lentilles divergentes, en utilisant un critère autre que « c’est
écrit dessus ».
Proposer et mettre en œuvre un montage optique permettant de projeter l’image d’un objet rétroéclairé sur un
écran situé à environ un mètre de l’objet. Votre réflexion doit porter sur le choix de la lentille. Caractériser l’image :
est-elle réelle, virtuelle, droite, renversée, agrandie, réduite?
Proposer et mettre en œuvre un protocole montrant que, si la focale est correctement choisie, deux positions de
la lentille permettent de former l’image voulue. Adapter ce protocole pour montrer que si la focale est mal choisie
aucune position de convient.
Proposer et mettre en œuvre un protocole utilisant une lentille convergente pour former une image virtuelle.
Compte-rendu : Exceptionnellement, vous pouvez n’écrire que les conclusions des deux expériences
de formation d’image. Un protocole succint pourrait vous être utile à propos de la formation de l’image
virtuelle. Cette partie de compte-rendu sera lue mais pas directement évaluée.
2 Autocollimation (25 minutes)
En vous aidant de l’annexe et de l’animation flash, proposer et mettre en œuvre un protocole d’autocollimation.
En déduire un ordre de grandeur de la distance focale de la lentille utilisée, et le comparer à ce qui est indiqué.
Analyser les effets qui rendent cette méthode de mesure de focale peu précise et estimer l’incertitude sur la focale
obtenue.
Ne pas mettre ses doigts dessus est tout aussi valable pour le miroir que pour les lentilles !
Compte-rendu : Se reporter à l’entête du TP. Comme le protocole est presque entièrement donné
dans l’annexe, il n’a pas besoin d’être très détaillé dans le compte-rendu. La discussion des sources
d’incertitude doit par contre être argumentée.
1/3 Étienne Thibierge, 30 septembre 2016, www.etienne-thibierge.fr

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3 Relation de conjugaison de Descartes (1 heure)
Proposer et mettre en œuvre un protocole permettant de vérifier la relation de conjugaison de Descartes. En
déduire une estimation de la focale de la lentille associée à son incertitude.
On rappelle que la relation de conjugaison de Descartes relie la position d’un point objet Asur l’axe optique,
celle de son image A0et la distance focale image de la lentille par
1
OA0
−
1
OA =1
f0,
où la position de la lentille est repérée par celle de son centre optique O.
Compte-rendu : Se reporter à l’entête du TP. Le choix des grandeurs tracées doit être justifié et la
conclusion doit être argumentée avec précision.
Annexe : Méthode d’autocollimation
L’autocollimation est une méthode avant tout utilisée pour former avec une lentille convergente une image à
l’infini. Il faut pour cela placer l’objet dans le plan focal objet de la lentille.
En pratique, se contenter de placer l’objet à la distance focale annoncée est trop imprécis pour former des images
de bonne qualité. Pour améliorer la précision, on place un miroir derrière la lentille, comme représenté sur le schéma
ci-dessous. Lorsque l’objet étant situé dans le plan focal objet de la lentille, l’image en sortie de la lentille est à
l’infini. Le miroir renverse géométriquement le faisceau sortant de la lentille, et ainsi, pour le trajet retour, le faisceau
incident provient de l’infini. Lorsqu’ils traversent à nouveau la lentille, les rayons convergent dans le plan focal ... qui
se trouve ici être sur l’objet. Si besoin, le miroir peut être légèrement incliné par rapport à l’axe optique pour que
l’image ne se superpose pas complètement à l’objet.
lampe
Objet Lentille
f
Miroir
Ce principe est également expliqué dans l’animation flash de G. Tulloué dont le lien direct est http://www.
sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/focometrie/autocollimation.php Un lien
cliquable est donné directement sur le site de la classe.
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Évaluation
En plus des savoirs-faire exigibles en autonomie figurant dans le programme, les points les plus importants du
TP sont indiqués d’une étoile (*).
Au vu du travail au cours de la séance et de la présentation, un savoir-faire semble (A) acquis ; (B) à consolider ;
(C) en cours d’acquisition ou (D) pas encore acquis.
Savoir-faire Compétence Éval.
(*) Compétences exigibles en autonomie (extrait du programme) :
Éclairer un objet de manière adaptée. Réaliser
Choisir une lentilles en fonction des contraintes expérimentales, et choisir leur
focale de façon raisonnée.
Réaliser
Optimiser la qualité d’une image (alignement, limitation des aberrations...). Réaliser
Estimer l’ordre de grandeur d’une distance focale par autocollimation. Réaliser
Utiliser un logiciel de régression linéaire. Réaliser
Juger qualitativement si des données expérimentales sont en accord avec un
modèle linéaire.
Réaliser
Comprendre et s’approprier une problématique scientifique :
Rechercher, extraire et organiser de l’information. S’approprier
Énoncer une problématique d’approche expérimentale et définir les objectifs
correspondants.
S’approprier, analyser
Concevoir un protocole expérimental, en particulier en estimant des ordres de
grandeur pertinents.
Analyser
Obtenir des résultats de mesure :
(*) Mettre en œuvre un protocole avec précision et rigueur. Réaliser
(*) Utiliser le matériel de manière adaptée. Réaliser
Respecter les règles de sécurité adéquates. Réaliser
Analyser des résultats de mesure :
(*) Représenter graphiquement des résultats expérimentaux. Réaliser
Analyser les résultats de manière critique, maîtriser les unités et les ordres de
grandeur.
Valider
Identifier les sources d’erreur et estimer quantitativement les incertitudes. Analyser, réaliser
(*) Confronter un modèle à des résultats expérimentaux, confirmer ou infirmer
une hypothèse.
Valider
Proposer des améliorations de la démarche ou du modèle. Analyser, valider
Présenter des contenus scientifiques dans un discours adapté :
Présenter les différentes étapes du travail : problématique, dispositif et proto-
cole de mesure, exploitation des résultats, conclusion.
Communiquer
S’appuyer sur des supports graphiques pertinents (schémas et courbes). Communiquer
Rédiger ou mener la présentation orale avec précision et rigueur en utilisant un
vocabulaire scientifique adéquat.
Réaliser, communiquer
Parler sans attendre d’approbation et imposer le rythme de la présentation. Être autonome et faire
preuve d’initiative
Faire preuve d’écoute et de réactivité :
Travailler seul ou en équipe, confronter son point de vue en faisant preuve
d’écoute.
Être autonome et faire
preuve d’initiative
Solliciter une aide de manière pertinente. Être autonome et faire
preuve d’initiative
S’impliquer, prendre des décisions, anticiper. Être autonome et faire
preuve d’initiative
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