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I) modélisation de l'œil et de l'appareil photographique 1) conditions de visibilité d'un objet 2) anatomie physicienne de l’œil 3) fonctionnement de l’appareil photo 4) comparaison entre l’œil et l’appareil photo
II) la lentille convergente 1) Qu'est-ce qu'une lentille convergente? 2) lentilles convergentes :points et rayons particuliers 3) distance focale et vergence III) construction graphique d’une image par une lentille convergente
IV) relation de conjugaison et de grandissement TP: relation de conjugaison sur le banc d'optique TP: relation de grandissement sur le banc d'optique 2) taille et position de l’image en fonction de la position de l'objet V) obtention d'une image nette
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I) la lentille convergente I-1 qu’est-ce qu’une lentille convergente ? Un rayon lumineux est la représentation géométrique du trajet suivi par la lumière pour aller d’un point à un autre. Il est représenté par une droite orientée dans le sens de propagation de la lumière (de la gauche vers la droite). La lumière se propage en ligne droite dans les milieux homogènes Exemple : le point B1 envoie une infinité de rayon lumineux qui sont déviés lorsqu’il pénètre dans la lentille convergente ( d’une paire de lunettes par exemple).
Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces dont l’une au moins n'est pas plane. En optique, on utilise généralement des lentilles sphériques. Les lentilles convergentes ont des bords plus fins que le centre. C’est le contraire pour les lentilles divergentes. La forme et le symbole des lentilles
convergentes sont représentés ci-dessous: Sur le tableau optique est placé des lentilles divergentes et convergentes. Q1 Observer la marche des rayons lumineux en sortie de ces lentilles. En déduire une explication des expressions : lentille convergente, lentille divergente. Q2 Pourquoi la lumière est-elle déviée lorsqu’elle traverse une lentille ? Observer le chemin du rayon lumineux lorsqu’il passe d’un milieu transparent l’air, vers le milieu transparent verre qui constitue la lentille convergente. Comment s’appelle ce phénomène ?
Q3 : A l’aide d’une lentille convergente posée sur la table, observer une lettre d’un texte quelconque. La lettre est appelé un objet. Cet objet envoie des rayons lumineux qui traversent la lentille. Ce que vous observez, c’est l’image de cet objet à travers la lentille. Comparer l’objet et son image (taille, sens etc..) I-2 qu’est-ce que sont le centre optique O et l’axe optique d’une lentille ? La lentille sphérique possède un axe de symétrie appelé axe optique. Si l’on néglige l’épaisseur de la lentille, l’axe optique coupe celle-ci en un point appelé centre optique O. Clique sur l’Animation : lentille convergente/ distance focale réglable. Cliquer sur faisceau. A1B1 est l’objet, A2B2 est son image. Q4 Par quel point particulier passe le seul rayon lumineux qui n’est pas dévié lorsqu’il traverse la lentille ? Un rayon lumineux passant par le centre optique O d’une lentille mince convergente n’est pas dévié.Réponse : Un rayon lumineux passant par le centre optique d’une lentille mince convergente n’est pas dévié. I-3 foyer objet F et image F’ A chaque lentille correspond un foyer objet F et un foyer image F’. Pour une lentille convergente, F est à gauche de la lentille, F’ à droite. Observer leur position sur l’animation. Q5 : Quelle relation géométrique lie F et ’F’? Déterminer vers quel point particulier converge un rayon incident, parallèle à l’axe optique. Quelle est la direction d’un rayon passant par le point F, lorsqu’il ressort de la lentille ?
Tout rayon incident, parallèle à l’axe optique, émerge en passant par un point F’ de cet axe situé après la lentille. F’ est appelé foyer image. Tout rayon incident, passant par le foyer objet F, émerge parallèlement à l’axe optique. F’ est le symétrique de F par rapport au point O. Le plan orthogonal à l’axe optique passant par le foyer objet F est appelé plan focal objet, il est noté P Le plan orthogonal à l’axe optique passant par le foyer image F’ est appelé plan focal image , il est noté P’
Q6 :à l’aide des connaissances précédentes compléter le schéma suivant ;
1 : axe optique P : plan focal objet P’ : plan focal image F : foyer objet F’ : foyer image O : centre optique I-4 distance focale image f’ et vergence V Rappel : la mesure algébrique La distance focale image de la lentille,
notée f’, est égale à la mesure algébrique Unité : le mètre(m) f’ est positive pour une lentille
convergente. La
vergence V d'une lentille est égale à l'inverse de sa distance focale
f' : V = 1/f’ Unité: la dioptrie symbole ( Exercice 1: à l’aide de l’indication écrite sur la lentille posée sur la table, déterminer sa vergence V puis sa distance focale image f’ Exercice 2 : une lentille à une distance focale image f’ = 10 cm. Quelle est la valeur de sa vergence V ? II) construction d’image à partir de la position d’un objet II-1 qu’appelle-t-on objet et image en optique géométrique? Une petite source lumineuse B1 considérée comme ponctuelle, envoie des rayons lumineux vers une lentille convergente. Dans certaines conditions, les rayons sortant de la lentille, ou leurs prolongements, passent tous par un même point B2. On dit que B1 est un objet ponctuel et que B2 est son image ponctuelle.
II-2 construction graphique de l’image A B’ d’un objet AB Cliquer sur l’Animation : lentille convergente/ distance focale réglable.
Q1 : comment trouve-t-on la position l’image ponctuelle B2 d’un point objet B1 ? Par convention la lumière se déplace de la gauche vers la droite. Pour tracer l’image A2B2 d’un objet A1B1, on trace les trois rayons caractéristiques issus de B1 : 1. un rayon passant par l’axe optique qui n’est pas dévié 2. un rayon passant par le foyer objet F qui ressort de la lentille parallèlement à l’axe optique 3. un rayon parallèle à l’axe optique qui converge en sortie de lentille en coupant l’axe optique au point F’ foyer image. L’intersection de ces 3 rayons correspond à l’image B2 de B1. L’image A2’ de A1 se trouve sur l’axe optique, A2B2 étant perpendiculaire à l’axe optique. On relie ensuite les points A2B2 par un segment orienté. II-3 les différents types d’image Q2 : soit une lentille
convergente de distance focale Q3 : mêmes
questions pour Conclusion : suivant la position de l’objet, son image peut être soit : - rétrécie ou agrandie si elle plus petite qou plus grande que l’objet - droite ou renversée si elle est dans le même sens ou le sens opposé à l’objet - réelle si les rayons ‘réels’ arrivent sur l’image (l’image peut alors être recueillie sur un écran) - virtuelle si chaque point de l’image n’existe pas réellement (les rayons semblent provenir de l’image, qui est construite en prolongeant les rayons réels par des pointillés) Une image virtuelle ne peut pas être recueillie sur un écran.
Q4 : en vous aidant de l’animation, répondre à la question suivante : quelle doit être la position du point A1 pour obtenir une image réelle ? une image virtuelle ? Remarque : un objet réel est situé à gauche de la lentille, un objet virtuel à droite. Une image réelle est située à droite de la lentille ; une image virtuelle à gauche III) relations de conjugaison et de grandissement III-1 activité sur les relations de conjugaison et de grandissement On peut déterminer la taille et la position de l’image par la méthode graphique précédente, ou par les relations de conjugaison et de grandissement
Q1 :A partir des grandeurs
algébriques affichées sur le schéma ci-dessus, comparer les valeurs :
2) III-2 relation de conjugaison et de grandissement A2 est l’image (ou le conjugué)
de l’objet A1. La relation de conjugaison lie la position du point
image, celle du point objet et la distance focale de la lentille. Relation de conjugaison : soit une
lentille de distance focale f'. La relation de conjugaison est :
Relation
de grandissement
Remarque : Lorsque le segment fléché A’B’ est orienté vers le haut la mesure algébrique est positive en effet :
Lorsque le segment fléché est orienté vers le bas c’est l’inverse, la mesure algébrique de A’B’ est négative. 1) Construire l’image A’B’ de l’objet AB = 1 cm dans les conditions suivantes :
Représenter :le centre optique O, les foyers principaux image F’ et objet F ; Donner les caractéristiques de l’image qui se forme. 2) Mesurer
la valeur algébrique 3) Calculer la mesure algébrique 4) Même question avec IV) Fonctionnements
comparés de l’oeil et d’un appareil photographique.
L’’œil est
constitué de trois parties principales : - l’ensemble
pupille-iris - le cristallin - La rétine Q1 : Clique sur l’Animation : fonctionnement de l’œil. On peut modéliser un œil par un modèle qui ne tient compte que de ses fonctionnalités optiques qu’on appelle le modèle déduit de l’œil. En manipulant l’animation, compléter le texte suivant : L’’œil est
constitué de trois parties principales : - l’ensemble pupille-iris qui joue le rôle de diaphragme (ouverture circulaire de diamètre variable) ; Plus la pupille est dilatée plus la quantité de lumière entrant dans l’œil est importante. - le cristallin qui joue le rôle de lentille convergente ; il fait converger les rayons lumineux sur la rétine. - La rétine qui joue le rôle d’écran. La rétine récupère l’image de l’objet observé par l’œil et envoie l’information lumineuse au cerveau par l’intermédiaire du nerf optique. IV-2 comment rendre une image nette sur la rétine ?
L’image d’un objet se forme sur la
rétine. Pour rendre l’image nette, l’œil accommode (phénomène d’accomodation) de 2 manières possibles: - l’œil est capable de modifier sa
distance focale f’ (donc sa vergence V = 1/f’) lorsque la distance objet-
cristallin varie. Plus l’objet est proche de l’œil plus la distance focale f’
diminue et plus la vergence V augmente (le cristallin est alors de plus en
plus bombé). Inversement plus l’objet s’éloigne plus la distance focale f’
augmente (plus la vergence diminue) - l’œil réduit le diamètre de la pupille IV-3 analogie entre l’appareil photographique et l’œil Animation : appareil photographique
- le capteur qui permet d’enregistrer l’image de l’objet sur un disque dur - pour les appareils photos argentiques, sur le film (pellicule). L’image de l’objet doit être nette et lumineuse, pour cela il est nécessaire de régler différents paramètres (distance focale, diaphragme ). Exercice : compléter le tableau suivant
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: 
)
. Construire l’image A2B2 de
l’objet A1B1. Comparer les tailles et le sens de
l’objet et de son image.
1) 
sur celle de 
. Elle est aussi
:
; f’= 2 cm 
Q2 : Sur
l’animation, régler la distance objet-œil à 25 cm. L’image sur la rétine
est-elle nette ? Quelles sont les 2 façons de rendre l’image nette sur
la rétine ?