Optique TP3 1
Lentilles I
1- BUT DE LA MANIPULATION
La manipulation consiste à déterminer, par différentes méthodes, la distance focale
f
d'une lentille
mince convergente
(on admettra que la lentille est utilisée dans les conditions de Gauss).
2- MANIPULATION
2-1 Matériel
Le matériel utilisé comprend :
-1 banc d’optique -1 écran percé de trous représentant une flèche
-1 source lumineuse -1 écran mobile pour la visualisation des images réelles
-1 dessin sur papier calque -1 lentille convergente L de distance focale inconnue
-1 miroir plan
2-2 Détermination de la distance focale d’une lentille mince convergente
La distance focale image
f
de la lentille L sera déterminée par
trois méthodes
dont on comparera les
précisions.
2-2-1 Méthode d’autocollimation
On utilise le fait qu’un système optique constitd’une lentille convergente accolée à un miroir plan
donne, d’un point objet A de l’axe, une image A’ qui lui est superposée si A
coïncide
avec le foyer
principal objet F de la lentille.
Effectuer plusieurs mesures de
f
et compléter le tableau ci-dessous.
f ’
(cm)
En déduire la valeur de f ’ et estimer l’incertitude
f ’ :
ff
±
=
miroir plan
Vérifier cette propriété en poursuivant la
marche des rayons lumineux de la figure 1
ci-contre.
Utiliser cette méthode pour déterminer la
distance focale image
f
de la lentille L
(prendre comme objet le dessin sur papier
calque ou l’écran métallique percé de
trous).
Fig 1: Autocollimation
lentille L
A
F O
Optique TP3 2
Remarque : Le dispositif «source lumineuse au foyer objet d’une lentille» constitue un collimateur
qui permet d’obtenir un faisceau de rayons parallèles à partir d’une source lumineuse ponctuelle. Il
est utilisé, par exemple, dans le spectroscope de la manipulation N°1.
2-2-2 Méthode utilisant la relation de conjugaison des lentilles minces
Placer l’objet (le dessin sur papier calque ou la flèche) à une extrémité du banc d’optique et noter
sa position x
A
.
Déterminer les positions x
A’
des images (réelles) de cet objet sur l’écran mobile, pour plusieurs
positions x
O
de la lentille.
Compléter le tableau ci-dessous :
x
A
x
O
x
A’
1
OA
OA'
Que se passe-t-il si l’objet est trop proche de la lentille ?
Tracer la courbe y = 1/
'OA
en fonction de x = 1/
OA
.
Déduire de cette courbe la distance focale
f
de la lentille et estimer f ’ :
f
f
±
=
2-2-3 Méthode de Bessel
Cette méthode est fondée sur le fait qu’une lentille donne d’un objet AB une image nette sur un écran
situé à une distance D de cet objet, pour deux positions (notées x
1
et x
2
sur la figure 2). On posera :
l
= x
2
– x
1
.
Optique TP3 3
L’expression de la distance focale
f
de la lentille est alors donnée par la relation suivante :
'
f
=
D
4
D
22
l
Etablir cette relation (
on conseille de poser
OA
= -
x
et
'OA
=
D x
dans la relation de
conjugaison des lentilles minces,
1/
AO
-
1/
OA
=
1/
OF'
, et d’en déduire l’écart x
2
x
1
=
l
entre les racines x
1
et x
2
de l’équation du 2
ème
degré en x ainsi obtenues).
Montrer que l’expression de l’incertitude absolue
f
sur
f
peut s’écrire :
f
=
l
l
l
+
+D2
D
D4
D
2
22
B
O
1
B
1
A
A
B
O 2
A
2
B
x
x
1
x
2
D
l
écran
objet
Fig 2: Il existe deux positions de la lentille pour lesquelles on obtient, sur l’écran, une image nette de l’objet AB.
lentille (position 2)
lentille (position 1)
A
Optique TP3 4
Effectuer, en prenant D = 150,0 cm, plusieurs mesures de x
1
et de x
2
et compléter le tableau ci-
dessous :
x
1
(cm)
x
2
(cm)
En déduire :
x
1
±
x
1
=
et x
2
±
x
2
=
Calculer
l
±
l
:
l
±
l
=
En déduire f ’
±
f ’, après avoir précisé la valeur de D :
f ’
±
f ’=
Comparer les trois méthodes utilisées ainsi que leurs précisions respectives.
Optique TP3 5
ANNEXE : notes de cours
1- NOTION D’OBJETS ET D’IMAGES
Un système optique (S) sépare l'espace en
deux
parties : le milieu
objet
situé avant la face d'entrée et
le milieu
image
situé après la face de sortie (fig 1).
La nature d’un objet dépend de sa position par rapport à la face d’
entrée
et celle de l’image de sa
position par rapport à la face de
sortie
.
Un objet est dit
réel
s’il est
situé
avant
la face
d’entrée et
virtuel
s’il est situé
après
cette face.
Une image est dite
réelle
si elle est située
après
la face de
sortie et
virtuelle
si elle est située
avant
cette face.
Un objet
réel
envoie un faisceau lumineux
divergent
sur la face d’entrée du système optique (fig
2).
Un objet virtuel
pour un système optique
(S)
est en fait, l’image
réelle
d’un objet donnée par un
autre système
(S
1
) et située
après
la face d’entrée du système (S). Le faisceau lumineux incident sur
le système (S)
converge
donc vers cette image (fig 3).
Fig 2 : Le point A est un objet réel pour le système (S).
A (S)
Fig 3: L’image réelle A, donnée par (S
1
) de l’objet A
1
, est un objet virtuel pour (S).
A
1
(S
1
) (S)
A
face d’entrée
milieu objet milieu image
(S)
face de sortie
sens de propagation
de la lumière
Fig 1 :
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