F3 - À quoi sert une loupe

Optique
F3
À quoi sert une loupe ?
On se propose, pour commencer cette étude des lentilles convergentes, de partir d’une situation
accessible aux élèves parce que familière : celle de l’utilisation d’une lentille comme loupe.
Les élèves savent bien et peuvent facilement vérifier que si un objet est situé assez près d’une
lentille, celle-ci donne une image droite et agrandie de l’objet. Cependant, interrogés sur les
caractéristiques de l’image observée, les élèves répondent assez fréquemment que la lentille “
rapproche l’objet ” de l’observateur, raison pour laquelle il paraît plus gros. Il s’agit donc ici d’amener
les élèves à comprendre que le grossissement de la loupe n’est pas dû à un effet de rapprochement
de l’objet mais, qu’au contraire, la lentille donne ici une image non seulement agrandie mais encore
plus éloignée de l’observateur que l’objet de telle sorte que le diamètre apparent de l’image
(grandeur étudiée en classe de seconde) soit supérieur à celui de l’objet observé du même endroit à
l’œil nu. On pense ainsi conduire les élèves à bien différencier les notions de grandissement et de
grossissement. Cette activité permettra de présenter par la suite le rôle de l’oculaire dans les
instruments d’optique tels que la lunette ou le télescope.
Activité 1 :Où se trouve ce que l’on voit à travers une loupe ?
On présente aux élèves une boîte fermée qui contient un objet éclairé que l’on ne peut observer qu’à
travers une lentille (figure ci-après). Ils sont invités à travailler sur la consigne suivante : “ Observez
l’objet à travers la lentille et, sur le côté de la boîte, tracez un trait de crayon à la profondeur à
laquelle vous pensez que l’objet se trouve. Ensuite, à l’aide de la règle graduée, estimez en
Oeil de
l'observateur
Position
réelle
de l'objet
Lentille
On repère
l'endroit où
l'obj et est vu
à travers la
lentille
Paroi
translucide
centimètres la valeur de la taille de l’objet que vous observez. ”
Les élèves effectuent à tour de rôle leurs estimations. la boîte est ensuite ouverte : ils constatent
alors que l’objet est placé, d’une part, bien plus près de la lentille que ce qu’ils avaient prévu et,
d’autre part, que la taille réelle de l’objet est bien plus petite que celle qu’ils avaient estimée (cf.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
figures ci-dessous1). On peut alors conclure que la lentille a donné une image plus grande que l’objet
et plus éloignée de la lentille que celui-ci.
estimation
de la taille
Taille réelle
de l'objet
L'objet vu à travers la lentille
Activité 2 :Comment la loupe agit-elle sur la lumière qui la traverse ?
Les élèves travaillent en petits groupes de quatre, sur la situation suivante : “ Une loupe2 est posée
sur la table devant un objet (par exemple, le cadran d’une montre) de telle sorte que celui-ci
apparaisse agrandi lorsque vous l’observez à travers la lentille. Vous devez déterminer avec
précision sur la table la zone dans laquelle un point P de l’objet (par exemple, l’extrémité de la
grande aiguille) est visible à l’œil à travers la lentille. Vous en déduirez alors la position du
point-image P’ conjugué de P. Vous décrirez votre méthode en vous aidant d’un schéma et vous
indiquerez comment la lentille de la loupe dévie la lumière issue du point P. ”
l'objet
La lentille
L'image est droite et
agrandie
Commentaire
L’objectif est ici que les élèves s’inspirent de la méthode utilisée avec le miroir, donc qu’ils repèrent,
par des alignements d’épingles ou de réticules, les rayons émergeant de la lentille pour les deux
positions extrêmes de l’œil. La solution attendue est donnée, par exemple, par la figure ci-après,
dans laquelle P’ est le point-image conjugué du point-objet P. L’étude précédente permet de
comprendre que P’ est plus éloigné de la lentille que P. Une étude similaire effectuée sur un
deuxième couple de points conjugués, tels que Q et Q’ par exemple, permet de comprendre que
l’image du cadran est plus grande que l’objet.
Q'
P'
loupe
Q
.
.
A
B
oeil
zone de
P
visibilité de P à travers
image
1 Le montage peut être réalisédu
la loupe
cadran
facilement
avec une boîte à chaussures en
découpant dans le couvercle une ouverture
(contientpeut
la lumière
rectangulaire que l’on recouvrira par du papier
calque
translucide.
La
lumière
ainsi entrer dans la boîte et éclairer
cadran vu
issue de P qui traverse
de dessus
l’objet sans que la position de celui-ci soit visible
de l’extérieur. Une lentille d’environ 8 à 10 dioptries peut servir de loupe ;
la lentille)
l’objet est placé aux environs de 5 cm de la lentille sur un support collé au fond de la boîte.
Pour réaliser ces expériences, nous avons utilisé des loupes circulaires d’environ 10 dioptries et de diamètres
relativement grands (5 cm ou plus) qui ont l’avantage de pouvoir tenir posées sur la table en position verticale. Toute lentille
convergente pouvant tenir dans cette position pourra convenir à condition d’avoir un diamètre suffisant pour permettre les
visées.
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Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
Conclusion
À la rencontre d’une loupe, il y a rupture de la propagation rectiligne : la lumière est déviée en la
traversant de telle sorte que le faisceau des rayons issus du point-objet P et rencontrant la lentille
s’est refermé. Pour cette raison, la lentille d’une loupe est dite “ convergente ”.
La lumière reçue par l’œil de l’observateur (conditionné à la propagation rectiligne) semble venir de
P’ qui est le point-image conjugué de P.
Conséquences : dans les conditions de l’utilisation de la lentille convergente réalisées dans cette
activité :
– l’image est plus éloignée de la lentille que l’objet ;
– l’image est plus grande que l’objet.
Compétences du programme mises en œuvre
Compétences expérimentales et manipulatoires
– Formuler une hypothèse sur un événement susceptible de se produire ou un
paramètre pouvant jouer un rôle dans un phénomène.
– Faire le schéma d’une expérience.
Compétences transversales
– Décrire une expérience, un phénomène.
– Utiliser le vocabulaire scientifique.
– Rédiger une argumentation.
– Utiliser quelques notions de géométrie.
Pour en savoir plus…
– FAWAZ A., Image optique et vision : étude exploratoire sur les difficultés des
élèves de première au Liban, thèse de troisième cycle, université Paris-VII, 1985.
– GUESNE E., Contribution à la définition d’un enseignement sur la lumière et
l’optique pour des enfants de 13-14 ans, thèse de doctorat, université de Paris
Sud-Orsay, 1985.
– GUESNE E., “ Un modèle qualitatif : la formation des images par une lentille
convergente ”, Bulletin de l’Union des physiciens, n° 630, 1981.
– KAMINSKI W., “ Conceptions des enfants et des autres sur la lumière ”, Bulletin
de l’Union des physiciens, n° 716, 1989, p. 973-996.
– KAMINSKI W., “ Rayons épinglés ou comment tracer les rayons lumineux en 4e
”, Bulletin de l’Union des physiciens, n° 750, 1993, p. 29-33.
– FAWAZ A. et VIENNOT L., “ Image optique et vision ”, Bulletin de l’Union des
physiciens, n° 686, p. 1125-1146.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP