Optique Optics
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Optique Optics Ref : 201 015 Français – p 1 English – p 11 Version : 9001 Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Optic kits: study of lenses, prisms, reflection - refraction Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Lentille biconvexe épaisseur 30 mm Prisme 90°- 45° - 45° Prisme 90° - 60° - 30° Lentille biconcave Prisme équilatéral Lentille biconvexe Bloc semi-circulaire Miroir semi-circulaire Miroir parabolique Lame à faces parallèles Miroir plan 3 écrans avec fentes Ce kit optique permet les expériences classiques de l'optique géométrique : • Etude des lentilles, • Lois de la réflexion et de la réfraction, • Spectre de dispersion de la lumière blanche. 1 Principe – description 1.1 Principe Les différentes fentes placées devant une source lumineuse permettent d'obtenir différents faisceaux lumineux : rayons uniques ou multiples, faisceau parallèle. La trace des rayons lumineux est visible sur le support des éléments optiques, et permet d'en tracer le parcours. FRANÇAIS 1 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 1.2 Composition • Prisme 90° - 45° - 45° • Prisme 90° - 60° - 30° • Prisme équilatéral • Bloc semi-circulaire • Lame à faces parallèles • Lentille biconvexe 15 mm d'épaisseur • Lentille biconcave • Lentille biconvexe 30 mm d'épaisseur • Miroir plan • Miroir semi-circulaire • Miroir parabolique • 3 écrans avec fentes 1.3 Accessoires On pourra utiliser comme source lumineuse avec le kit optique une lampe de poche (Réf. 312 063) ou toute autre source de lumière du laboratoire. Toutefois, la source polyvalente Réf. 201 033 est particulièrement adaptée à l'étude des chemins lumineux à travers les éléments optiques du kit. 2 Manipulation Mode opératoire : On disposera divers blocs optiques sur une feuille de papier, dans différentes positions, comme indiqué dans les divers schémas ci-dessous. On manipulera les éléments d’optique par leur index de préhension, pour protéger les faces de toutes tâches et éraflures. La base de chaque élément est faite de telle sorte que le trajet suivi par les rayons lumineux y soit visible. Bien sûr, on obtiendra un meilleur résultat dans une salle semi-obscurcie. Pour faciliter l'exploitation des résultats, on inscrira sur la feuille de papier, la trace des chemins optiques. 2.1 Réflexion Avec un seul rayon FRANÇAIS 2 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Déterminer la valeur des angles d'incidence et de réflexion. Répéter l'expérience en modifiant la position du miroir. Constater l'égalité des angles i et r. Avec des rayons divergents Placer l'écran avec 3 fentes devant l'ampoule. Mesurer les 3 angles d'incidence et de réflexion. Déterminer si la divergence du faisceau incident est conservée par la réflexion. Faire la même expérience avec un faisceau parallèle et un faisceau convergent. Inversion latérale et verticale Placer devant l'ampoule l'écran avec 4 fentes. Placer 2 filtres colorés, 1 rouge et 1 bleu, (de façon à ce que le montant des cache-diapos cache les 2 faisceaux du centre). Examiner la place respective des rayons incidents et des rayons réfléchis. Image réelle - Image virtuelle Cette expérience permet de localiser la position du point image. On projette un faisceau convergent. Inscrire la position du point de convergence sur une feuille de papier. Placer un miroir sur le trajet des rayons lumineux. On obtient ainsi un faisceau réfléchi convergent. On compare la position respective des points de convergence, incident et réfléchi, par rapport au miroir. FRANÇAIS 3 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Réflexions multiples On opère avec un seul rayon lumineux et un miroir plan. Au lieu de tourner le miroir plan autour d'un axe vertical, l'incliner vers l'avant, ou vers l'arrière autour d'un axe horizontal. On observe que lorsque le miroir est incliné vers l'arrière, il n'y a pas de trace des rayons réfléchis, et que lorsqu'il est incliné vers l'avant, il y a accumulation de lumière. Donc, les rayons incidents réfléchis et la normale, sont dans un même plan. Rotation d'un miroir-plan - Principe du galvanomètre On projette un seul rayon incident sur le miroir. On notera la position du miroir, du rayon incident et du rayon réfléchi. Faire varier la position du miroir, en le faisant pivoter autour d'un axe vertical, passant par le point d'incidence du rayon. On note les positions respectives du miroir et des rayons réfléchis correspondants. On constate que la différence entre les deux angles de réflexion, est le double de celle des deux mêmes angles d'incidence. Réflexion sur un miroir semi-circulaire Diriger un faisceau de 3 rayons parallèles dans la courbure interne du miroir sphérique de façon à ce que la direction des rayons soit parallèle à l'axe de symétrie du miroir. En dirigeant un faisceau de rayons parallèles dans l'axe de symétrie du miroir, on obtient une caustique. Dans le cas particulier où on ne dirige que 3 rayons parallèles à l'axe de symétrie du miroir et en son centre, les rayons réfléchis convergent en un point unique. FRANÇAIS 4 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Réflexion sur un miroir convexe On utilise l'écran à 4 fentes et on projette les rayons lumineux sur la face externe du miroir semi-cylindrique. On obtient un faisceau réfléchi divergent. Localiser le foyer virtuel du faisceau réfléchi. Réflexion sur un miroir parabolique On projette sur la face interne du miroir parabolique, un faisceau de rayons parallèles entre eux et parallèles à l'axe de symétrie du miroir parabolique. On constate que ces rayons convergents en un point qui est le foyer de la parabole. 2.2 Réfraction Réfraction avec un bloc semi-circulaire Projeter un rayon unique perpendiculairement au bloc semi-circulaire en son centre. On constate que le rayon n'est pas dévié. On fait varier l'angle d'incidence de 0 à 90° du rayon incident, mais de telle manière que celui-ci rencontre la face du bloc, toujours au même point. Noter les angles d’incidence i et de réfraction r, et remplir le tableau cidessous. i r sin i sin r sin i / sin r 1 2 3 4 On observe : o FRANÇAIS que l'on obtient toujours un rayon réfléchi sur la surface plane. Dans le cas de petits angles d'incidence, il est peu lumineux, le rayon réfracté étant presque aussi lumineux que le rayon incident, 5 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 o que le rayon réfracté a des bords colorés, o que l'intensité du rayon réfléchi augmente au fur et à mesure que l'angle d'incidence augmente. Réfraction à travers une lame à faces parallèles On place la lame à faces parallèles de telle façon que le côté le plus long soit perpendiculaire au rayon incident. On constate que le rayon incident subit 2 réfractions successives (airacrylique puis acrylique-air) sans subir de modification de direction. Modifier ensuite la position de la lame à faces parallèles de telle façon que l'angle d'incidence fasse un angle de 10°. On tracera sur une feuille de papier les traces : o du rayon incident, o du rayon réfracté, o du rayon convergent, o des faces parallèles. On répètera l'expérience pour plusieurs angles d'incidence et on complètera le tableau ci-dessous. i r 1 2 3 4 FRANÇAIS 6 sin i sin r sin i / sin r Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Réfraction - réflexion totale On utilisera le bloc semi-circulaire et l'écran à une seule fente. Faire en sorte que le rayon incident traverse le bloc semi-circulaire pour arriver au centre de la surface plane (voir schéma). SI = rayon incident Ir = rayon réfléchi IR = rayon réfracté Chercher l'angle d'incidence pour lequel le rayon réfracté disparaît et pour lequel il n'existe plus que le rayon réfléchi. Répéter plusieurs fois l'expérience pour trouver que cet angle d'incidence minimum a toujours la même valeur ; cet angle est appelé angle limite : ic Noter que sin ic = 1/n Réfraction - réflexion totale On utilise le prisme (30° - 60° - 90°). On dispose ce dernier comme indiqué dans le schéma ci-dessous, le rayon réfracté sortant par l'hypoténuse. On cherche l'angle d'incidence minimum, tel que le rayon incident se réfléchisse sur l'hypoténuse et émerge par le 3ème côté. Retrouver ainsi le même angle limite ic que précédemment. Utilisation du prisme pour modifier la direction des rayons lumineux On utilise maintenant le prisme (45° - 45° - 90°), comme indiqué sur le schéma ci-dessous ; le rayon incident est perpendiculaire à l'hypoténuse et le point d'incidence est situé à 1/4 de la longueur totale de cette dernière. On détermine la trace des rayons incidents et émergents. Avec un écran à 3 fentes et le prisme (45° - 45° - 90°), on compare la position respective des rayons incidents et émergents selon que l'on utilise le prisme dans l’une ou l’autre des configurations représentées dans les schémas 1 et 2 ci-dessous. On détermine la trace des rayons incidents et émergents. FRANÇAIS 7 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Réfraction - double réfraction - angle de déviation Diriger le rayon issu de l'écran à une fente sur une des faces d'un triangle équilatéral, tel que le rayon soit approximativement parallèle à un côté, comme illustré dans le schéma ci-dessous. On notera l'angle de déviation. Répéter l'expérience avec les autres prismes en prenant grand soin d'appliquer la face d'incidence sur la trace précédente, de façon à ne pas faire varier l'angle d'incidence. Relever les angles de déviation, et les comparer aux différents angles du prisme (30° - 45° - 60° ou 90°). Déviation - influence de l'angle d'incidence On utilisera l'écran à une fente. Faire varier l'angle d'incidence du rayon lumineux, en faisant varier la position du prisme selon un axe passant par le point A. Relever les angles d’incidence i et de déviation D, puis les comparer. Dispersion de la lumière Diriger un faisceau assez large à travers un prisme équilatéral de façon à obtenir une déviation maximum. Placer un carton blanc sur le trajet du rayon émergent. Constater que le faisceau émergent est composé de différentes radiations lumineuses. Il s'agit du spectre coloré de la lumière blanche. Avec des lentilles biconvexes On utilisera l'écran à 4 fentes. Pour chaque lentille, on détermine le point de convergence des 4 rayons émergents : le foyer de la lentille donne la distance focale de la lentille (distance du centre de la lentille au point de convergence). Après avoir déterminé les rayons de courbure des deux faces, on vérifiera ainsi, pour les deux lentilles, la formule : 1 / f = (n – 1) (1 / R1 + 1 / R2) FRANÇAIS 8 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 Avec : f = distance focale n = indice de réfraction R1 = rayon de courbure d'une face R2 = rayon de courbure de l'autre face Avec des lentilles biconcaves On utilise l'écran à 4 fentes et on projette ces 4 rayons lumineux parallèlement à l'axe de symétrie de la lentille. Les rayons émergents sont divergents. Tracer sur une feuille de papier le chemin des rayons incidents et divergents et déterminer, par prolongement, le foyer virtuel de la lentille. 2.3 Utilisation en banc d’optique Mode opératoire On peut utiliser la source lumineuse en Banc d'Optique avec différents miroirs et lentilles. Il suffit d'occulter le faisceau issu de la source par du papier calque sur lequel est dessinée la lettre F. Disposer verticalement les lentilles en alignant les centres optiques avec la lettre F (l'utilisation de pâte à modeler permet d'assurer l'équilibre des lentilles). Former l'image de la lettre F sur un écran en carton. Lentilles biconvexes On connaît la distance focale F de chacune des lentilles biconvexes. Repérer sur le plan de manipulation l'axe du système et les points F et 2F de part et d'autre de la lentille. Pour différentes positions de l'objet, déterminer la position de l'image. Choisir comme emplacement pour l'objet les distances objet-lentilles (Po) suivantes : Po > 2 F Po = 2 F F < Po < 2F Po = F Po < F Dans chaque cas, mesurer la distance q (lentille-image) et déterminer le grandissement. Retrouver la formule : FRANÇAIS 1/p+1/q=1/f 9 Optique Kit optique : étude des lentilles, des prismes, réflexion - réfraction Ref : 201 015 3 Service après vente La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers. Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter : JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE Rue Jacques Monod BP 1900 27 019 EVREUX CEDEX FRANCE 0 825 563 563 * * 0,15 € TTC/ min à partir d'un poste fixe FRANÇAIS 10 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 Biconvex lens thickness 30 mm 90°- 45° - 45° Prism 90° - 60° - 30° Prism Biconcave lens Equilateral Prism Biconvex lens Semi-circular block Semi-circular mirror Parabolic mirror Slide with parallel faces Plane mirror 3 screens with slits This optics kit is used to perform standard geometric optics experiments: • Study of lenses • Laws of reflection and refraction • Dispersion spectrum of white light. 1 Principle – description 1.1 Principle The various slits placed in front of a light source help obtain different light beams: single or multiple rays, parallel beam. The trace of light rays is visible on the support of optics components and helps draw their path. ENGLISH 11 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 1.2 Composition • 90° - 45° - 45° prism • 90° - 60° - 30° prism • Equilateral prism • Semi-circular block • Plate with parallel faces • 15 mm thick biconvex lens • Biconcave lens • 30 mm thick biconvex lens • Plane mirror • Semi-circular mirror • Parabolic mirror • 3 screens with slits 1.3 Accessories A torch or any other light source in the laboratory may be used as a light source with the optics kit (Part no. 312 063). However, the multipurpose source Part no. 201 033 is particularly suitable for the study of light paths through optical elements of the kit. 2 Experiment Operating procedure: Place various optical blocks on a piece of paper in different positions as indicated in the various diagrams below. The optical elements will be handled according to their prehension index to protect the faces from any stains or scratches. The base of each element is designed in such a way that the trajectory followed by the light rays is visible. Better results would obviously be obtained in a semi-obscure room. To facilitate the processing of results, the trace of optical paths will be marked on the piece of paper. 2.1 Reflection With a single ray ENGLISH 12 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 Determine the angles of incidence and reflection. Repeat the experiment by modifying the position of the mirror. Establish the relation between angles i and r. With divergent rays Place the screen with 3 slits in front of the bulb. Measure the 3 angles of incidence and reflection. Determine if the divergence of the incident beam is maintained by the reflection. Perform the same experiment with a parallel beam and a convergent beam. Lateral and vertical inversion Place the screen with 4 slits in front of the bulb. Place 2 colour filters, 1 red and 1 blue, (in such a way that the slide cover support hides the 2 central beams). Examine the respective places of the incident and reflected rays. Real image – Virtual image This experiment helps locate the position of the image point. Project a convergent beam. Mark the position of the point of convergence on a piece of paper. Place a mirror on the trajectory of the light rays. We thus obtain a convergent reflected beam. Compare the respective positions of the incident and reflected points of convergence in relation to the mirror. ENGLISH 13 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 Multiple reflections Operate with only one light ray and a plane mirror. Instead of rotating the plane mirror around a vertical axis, tilt it forward or backward around a horizontal axis. We observe that when the mirror is tilted backwards there is no trace of reflected rays, and when it is tilted forward there is a build up of light. Thus, the reflected incident rays and the normal are in the same plane. Rotation of a plane mirror - Principle of the galvanometer A single incident ray is projected on the mirror. Note the position of the mirror, the incident ray and the reflected ray. Vary the position of the mirror by rotating it around a vertical axis passing through the point of incidence of the ray. Note the respective positions of the mirror and the corresponding reflected rays. Observe that the difference between the two reflection angles is double that of the two same incidence angles. Reflection on a semi-circular mirror Project a beam of 3 parallel rays on the internal curvature of the spherical mirror in such a way that the direction of the rays is parallel to the axis of symmetry of the mirror. By projecting a beam of parallel rays on the axis of symmetry of the mirror we obtain a caustic. In the case where we project only 3 parallel rays on the axis of symmetry and centre of the mirror, the reflected rays converge on a single point. ENGLISH 14 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 Reflection on a convex mirror A screen with 4 slits is used and the light rays are projected on the external surface of the semi-cylindrical mirror. Thus we obtain a divergent reflected beam. Locate the virtual focus of the reflected beam. Reflection on a parabolic mirror A beam of parallel rays that are parallel to the axis of symmetry of the parabolic mirror is projected on the internal surface of the parabolic mirror. Observe that these rays converge at a point, which is the focus of the parabola. 2.2 Refraction Refraction with a semi-circular block Project a single ray perpendicular to the semi-circular block at its centre. Observe that the ray is not deviated. Vary the angle of incidence from 0 to 90° of the incident ray, in such a way that it always meets the surface of the block at the same point. Note down the angles of incidence i and refraction r and fill up the table below. i r sin I sin r sin i / sin r 1 2 3 4 Observe that: o ENGLISH we always obtain a reflected ray on a plane surface. In the case of small angles of incidence it is less bright, the refracted ray being almost as bright as the incident ray 15 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 o the refracted ray has coloured edges o the intensity of the reflected ray increases as the angle of incidence increases. Refraction through a plate with parallel faces Place a plate with parallel faces in such a way that the longer side is perpendicular to the incident ray. Observe that the incident ray is subjected to 2 successive refractions (airacrylic then acrylic-air) without being subjected to any modifications in direction. Then, modify the position of the plate with parallel faces in such a way that the angle of incidence is 10°. On a piece of paper draw the traces: o of the incident ray o of the refracted ray o of the convergent ray o of the parallel faces. Repeat the experiment with various angles of incidence and fill-up the table below. i r 1 2 3 4 ENGLISH 16 sin i sin r sin i / sin r Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 Total refraction - reflection The semi-circular block and a screen with a single slit will be used. Make sure that the incident ray passes through semi-circular block to reach the centre of the plane surface (see diagram). SI = incident ray Ir = reflected ray IR = refracted ray. Find the angle of incidence for which the refracted ray disappears and for which there is no reflected ray. Repeat the experiment several times to find that this minimum angle of incidence has always the same value; this angle is known as the critical angle: ic Note that sin ic = 1/n Total refraction - reflection Use the (30° - 60° - 90°) prism. Place it as shown in the diagram below, the refracted ray emerging from the hypotenuse. Find the minimum angle of incidence such that the incident ray is reflected on the hypotenuse and emerges from the 3rd side. Find again the same critical angle ic as before. Using the prism to modify the direction of light rays Now use the (45° - 45° - 90°) prism as shown in the diagram below; the incident ray is perpendicular to the hypotenuse and the point of incidence is located at 1/4th the total length of the latter. Determine the path of the incident and emerging rays. Using a screen with 3 slits and the (45° - 45° - 90°) prism, compare the respective positions of the incident and emerging rays depending on whether the prism is used in one of the configurations shown in the diagrams 1 and 2 below. ENGLISH 17 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 Determine the path of the incident and emerging rays. Refraction - double refraction - angle of deviation Project the ray from the screen with one slit on one of the sides of an equilateral triangle such that the ray is approximately parallel to one side as shown in the diagram below. Note down the angle of deviation. Repeat the experiment with other prisms by carefully placing the incident side on the previous path so as not to vary the angle of incidence. Note down the angles of deviation and compare them to the different angles of the (30° - 45° - 60° or 90°) prism. Deviation - influence of the angle of incidence The screen with a single slit will be used. Vary the angle of incidence of the light ray by varying the position of the prism according to an axis passing from point A. Note down the angles of incidence i and deviation D, then compare them. Dispersion of light Project a fairly large beam through an equilateral prism so as to obtain maximum deviation. Place a white cardboard on the trajectory of the emerging ray. Note that the emerging beam is made up of different light radiations. This is the coloured spectrum of white light. With biconvex lenses The screen with 4 slits will be used. For each lens, determine the point of convergence of the 4 emerging rays: the focus of the lens gives its focal length (distance from the centre of the lens to the point of convergence). After determining the radius of curvature of the two sides check the following formula for the two lenses: 1 / f = (n – 1) (1 / R1 + 1 / R2) ENGLISH 18 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 With: f = focal length n = refractive index R1 = radius of curvature of one side R2 = radius of curvature of the other side With biconcave lenses The screen with 4 slits will be used and these 4 parallel lights rays will be projected on the axis of symmetry of the lens. The emerging rays are divergent. Draw on a piece of paper the path of the incident and divergent rays and determine the virtual focus of the lens by extension. 2.3 Use on the optical bench Operating procedure The light source on the Optical Bench can be used with different mirrors and lenses. Just obscure the beam coming from the source with a tracing paper on which the letter F is drawn. Place the lenses vertically by aligning the optical centres with the letter F (the use of modelling clay ensures stability of the lenses). Project the image of the letter F on a cardboard screen. Biconvex lenses The focal length F of each biconvex lens is known. Locate on the experimental plane the axis of the set-up and the points F and 2F on either side of the lens. For different positions of the object, determine the position of the image. Choose the following object-lens (Po) distances as locations: Po > 2 F Po = 2 F F < Po < 2F Po = F Po < F In each case, measure the distance q (lens-image) and determine the magnification. Find the formula: 1/p+1/q=1/f ENGLISH 19 Optics Optic kits : study of lenses, Prisms, reflection - refraction Ref : 201 015 3 After-Sales Service This material is under a two year warranty and should be returned to our stores in the event of any defects. For any repairs, adjustments or spare parts, please contact: JEULIN - TECHNICAL SUPPORT Rue Jacques Monod BP 1900 27 019 EVREUX CEDEX FRANCE +33 (0)2 32 29 40 50 ENGLISH 20
