Fiche TP n° 4

Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
1. Optique
1.1. F4
Que voit-on à travers une lentille convergente ?
Contrairement au miroir et à la loupe, si l’objet en est suffisamment éloigné, une lentille
donne de celui-ci une image située entre la lentille et l’observateur, dont les
caractéristiques de taille dépendent de la position de l’objet. Le but ici, après avoir localisé
expérimentalement l’image, est d’apprendre à en retrouver théoriquement la position par
construction géométrique et par le calcul (dans l’approximation de Gauss).
La méthode de localisation expérimentale de l’image proposée ici est en partie nouvelle :
elle s’appuie toujours sur le concept d’œil-récepteur de lumière, et se fait toujours en plein
jour ; elle fait appel à l’utilisation d’un réticule qu’il faut placer dans le plan de l’image (de
préférence à une méthode de visée toujours possible). Cela permet une localisation
suffisamment précise pour permettre une très bonne vérification des relations de
conjugaison.
La “ formation ” de l’image sur un écran est proposée à la fin, en prenant comme objet
lumineux la flamme d’une bougie qui permet non seulement de “ former ” l’image de la
flamme sur l’écran, mais encore celle du haut de la bougie (objet éclairé). Ce dispositif très
simple nous a paru préférable à celui – sophistiqué – de la fente habituelle éclairée par
une lampe. On notera enfin que ce qui est vu sur l’écran n’est pas, à proprement parler,
l’image donnée par la lentille mais le résultat de l’interaction de la lumière ayant traversé la
lentille avec l’écran. En d’autres termes, ce que l’on voit résulte des différences
d’éclairement des points de l’écran ; l’image ne peut être observée par l’œil qu’à travers la
lentille et en l’absence d’écran.
1.1.1.Activité 1 :Que voit-on si l’on regarde un objet à travers
une lentille ?
Une lentille convergente est posée sur la table devant un objet (par exemple, le cadran
d’une montre), de telle sorte que celui-ci apparaisse agrandi lorsque on l’observe à travers
la lentille.
“ Qu’allez-vous voir, en regardant à travers la lentille, lorsque vous éloignerez l’objet de
celle-ci ?
1. Discutez-en et indiquez vos prévisions avant toute vérification.
2. Réalisez la manipulation. Notez soigneusement vos observations. Vos prévisions sont-
elles confirmées ? Pouvez-vous expliquer vos observations ? ”
1.1.1.1.1.Commentaire
Les élèves savent qu’au départ, l’image du cadran est plus grande que l’objet et plus
éloignée de la lentille que lui (cf. l’activité sur la loupe). Mais on peut raisonnablement
l'objet
L'image est droite et
agrandie
La lentille

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s’attendre à ce que certains prévoient que plus on éloigne l’objet, plus l’image sera
grande. Dans ces conditions, il y a tout lieu de penser que ces élèves soient surpris par
des observations qu’ils n’avaient pas prévues.

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On constate des modifications de l’image observée correspondant à la figure ci-après :
1.1.2.Activité 2 : Où se trouve l’image donnée par la lentille ?
On demande aux groupes de situer la position de l’image par rapport à la lentille, en
particulier dans le cas, nouveau, où celle-ci est renversée. La méthode des visées, déjà
utilisée dans les TP précédents, conduit maintenant au résultat donné ci-dessous :
On indique alors que la position de l’image peut être vérifiée de manière très précise à
l’aide d’un réticule constitué par une feuille de matière plastique transparente sur laquelle
a été tracée une droite verticale (figure ci-après). Les élèves doivent observer l’image à
travers le réticule. Lorsque celui-ci est placé dans le plan de l’image, un léger mouvement
latéral de l’œil de l’observateur (ou le fait de viser alternativement avec l’œil droit puis avec
l’œil gauche sans bouger la tête) ne se traduit pas par un déplacement relatif entre l’image
et le réticule. Dans le cas contraire, un tel déplacement peut facilement être constaté.
l'objet :
le cadran
L'image est droite et
plus grande que l'objet
quand celui-ci
est près de la lentille
Elle se renverse
lorsque l'objet
est suffisamment
éloigné
Puis sa taille diminue
au fur et à mesure
qu'on éloigne l'objet
de la lentille
Elle s'agrandit
lorsqu'on commence
à éloigner l'objet
P
P'
L'image
est
renversée
l'objet La lentille le réticule
l'image vue à travers
le réticule
Les positions relatives de l'image et
du réticule sont modifiées : l'image
n'est pas dans le plan du réticule.
Les positions relatives de l'image et
du réticule ne sont pas modifiées :
l'image est dans le plan du réticule.

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Les élèves constatent que l’image peut ainsi être localisée avec précision, qu’elle se situe
devant la lentille et que c’est toujours le cas lorsque celle-ci est renversée.
On donne alors aux groupes la consigne suivante : “ Si on appelle p la distance séparant
l’objet de la lentille et p’ celle qui sépare la lentille de l’image, vous pouvez constater que
p’ dépend de p. Effectuez différentes mesures de p et p’ et vérifiez alors qu’elles satisfont
à la relation :
C
pp  '
11
dans laquelle C est constante caractéristique de la lentille utilisée. Déterminez la valeur de
C (exprimée en m-1 ou dioptrie). ”
Remarque – Dans le cas où l’image est droite, les tentatives de localisation devant la
lentille effectuées au moyen du réticule échouent car l’image est située derrière la lentille
et l’objet. La méthode est cependant toujours applicable en plaçant le réticule derrière
l’objet ; il faut alors comparer les positions de l’image et de la partie du réticule qui est vue
à l’extérieur de la lentille (cf. figure ci-dessous). Cette méthode aurait d’ailleurs pu être
utilisée dans le cas de l’image donnée par un miroir.
1.1.3.Activité 3 :Peut-on prévoir la position et la taille de
l’image ?
Les élèves travaillent en petits groupes de
quatre ou cinq, à partir du schéma élaboré en
début de séance (cf. ci-contre) et de la question
suivante :
“ Que devient cette figure lorsque l’objet est
éloigné à l’infini de la lentille ? ”
1.1.3.1.1.Commentaire
s
On attend des élèves qu’ils proposent une modification prenant en compte les éléments
suivants :
– si p devient infini alors p’ = 1/C = f ; f est
appelée distance focale de la lentille, l’image
devient un point F appelé foyer image de la
lentille ;
– tout rayon parallèle à l’axe passe par ce point
(propriété qui reste vraie même lorsque p est
fini) ;
– tout rayon passant par le centre de la lentille
n’est pas dévié (propriété vraie dans tous les
cas).
Les positions relatives de l'image et
du réticule sont modifiées : l'image
n'est pas dans le plan du réticule.
Les positions relatives de l'image et
du réticule ne sont pas modifiées :
l'image est dans le plan du réticule.
P
P'
L'image
est
renversée
P
'
P
P
'
F
F

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1.1.3.1.2.Conclusion
Le point image P’ d’un point objet P donné par une lentille peut être obtenu de la manière
suivante : on trace sur la figure les deux rayons incidents issus de P, l’un passant par le
centre de la lentille, l’autre parallèle à l’axe. Le premier n’est pas dévié, le second passe
par le foyer image F. Le point P’ est situé au point de concours de ces deux rayons.
Les différents cas sont les suivants :
- On peut éclairer un écran avec l’image d’un objet lumineux : l’image “ se forme ” alors sur
l’écran.
- On réalise devant les élèves le montage donné ci-dessous. Les élèves observent alors,
formée sur l’écran, l’image de la flamme d’une bougie allumée. On déplace alors la bougie
et l’écran de façon à vérifier rapidement les résultats trouvés précédemment.
1.1.4.Activité 4 : Application à la lunette astronomique
Le principe simplifié de la lunette est donné de la manière suivante : “ Une première
lentille, convergente, donne d’un objet lointain observé, une image (petite et renversée)
située au voisinage du foyer. Cette image est observée à travers une seconde lentille
servant de loupe. L’image finale est donc agrandie. ”
P
P'
F
p < f
image droite plus grande que l'objet
située derrière l'objet
P
P'
F
p > 2 f
image renversée plus petite que l'objet
située devant la lentille
P
P'
F
p < 2 f
image renversée plus grande que l'objet
située devant la lentille
p = 2 f
image renversée aussi grande que l'objet
située devant la lentille
P
P'
F