Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 13
Lentilles minces : généralités
Je sais ce qu'est une lentille mince, je distingue une lentille convergente d'une lentille divergente par leur forme et par des tests simples, et je connais leurs symboles.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir une lentille et une lentille mince
- Classer les lentilles en convergentes et divergentes selon leur forme
- Reconnaître expérimentalement le type d'une lentille
- Représenter une lentille par son symbole avec son axe optique et son centre optique
Avant de commencer : La propagation rectiligne de la lumière, la notion de rayon et de faisceau lumineux, la réfraction (déviation de la lumière qui change de milieu).
1Je découvre
Le grand-père de Kadiatou ne peut plus lire son journal sans ses lunettes. Kadiatou les essaie : à travers les verres, les lettres paraissent plus grosses. Elle prend ensuite les lunettes de son cousin Lansana, qui voit mal de loin : cette fois, les lettres paraissent plus petites.
À l'école, le professeur de physique sort une loupe et, par une journée de grand soleil à Faranah, il concentre la lumière du Soleil sur un point très petit et très brillant d'une feuille de papier posée sur le sol. Il avertit : « Ne regardez jamais le Soleil à travers une loupe, cela brûle les yeux. »
Les verres du grand-père, ceux de Lansana et la loupe sont tous des lentilles. Mais elles ne se comportent pas de la même façon.
Qu'est-ce qu'une lentille, et comment reconnaître si elle concentre la lumière ou si elle l'écarte ?
2Je comprends
1. Qu'est-ce qu'une lentille ?
Une lentille est un milieu transparent (verre, plastique) limité par deux faces, dont au moins une est sphérique (une portion de sphère, donc bombée ou creusée). L'autre face peut être sphérique ou plane.
Quand la lumière traverse la lentille, elle est déviée deux fois, à l'entrée et à la sortie, par réfraction. C'est cette déviation qui permet de former des images.
Une lentille est dite mince lorsque son épaisseur au centre est très petite par rapport aux rayons des faces sphériques. Toutes les lentilles de ce chapitre sont supposées minces.
2. Deux grandes familles
Une façon simple de classer les lentilles consiste à regarder leurs bords.
Les lentilles à bords minces (plus épaisses au centre qu'au bord) sont convergentes : elles font converger (rapprocher) les rayons lumineux. On en distingue trois formes :
- biconvexe : les deux faces sont bombées vers l'extérieur ;
- plan-convexe : une face plane, une face bombée ;
- ménisque convergent : une face bombée et une face creuse, la face bombée étant la plus courbée.
Les lentilles à bords épais (plus minces au centre qu'au bord) sont divergentes : elles font diverger (écarter) les rayons lumineux. Trois formes également :
- biconcave : les deux faces sont creusées ;
- plan-concave : une face plane, une face creusée ;
- ménisque divergent : une face bombée et une face creuse, la face creuse étant la plus courbée.
- Bords minces, plus épaisse au centre
- Biconvexe, plan-convexe, ménisque convergent
- Un faisceau parallèle converge en un point
- Grossit un texte proche (effet loupe)
- Symbole : segment avec deux pointes vers l'extérieur
- Bords épais, plus mince au centre
- Biconcave, plan-concave, ménisque divergent
- Un faisceau parallèle s'écarte
- Rapetisse toujours le texte
- Symbole : segment avec deux pointes vers l'intérieur
3. Axe optique, centre optique et symboles
Toute lentille possède :
- un axe optique principal : la droite qui passe par les centres des deux faces sphériques ; c'est un axe de symétrie de la lentille ;
- un centre optique, noté O : le point de l'axe situé au centre de la lentille.
Propriété importante : un rayon lumineux qui passe par le centre optique O n'est pas dévié. On l'utilisera beaucoup pour construire des images.
Dans les schémas, on ne dessine pas la forme réelle de la lentille mince : on utilise un symbole, un segment perpendiculaire à l'axe optique :
- lentille convergente : segment terminé par deux pointes de flèche tournées vers l'extérieur ;
- lentille divergente : segment terminé par deux pointes de flèche tournées vers l'intérieur.
4. Reconnaître une lentille par l'expérience
On dispose de plusieurs tests simples.
- 1Toucher les bords : bords minces, lentille convergente ; bords épais, lentille divergente
- 2Regarder un texte proche à travers la lentille : lettres agrandies et droites, convergente ; lettres toujours plus petites, divergente
- 3Placer la lentille face au Soleil (sans jamais le regarder) : un point très lumineux sur le papier, convergente ; aucun point, divergente
- 4Déplacer la lentille devant un objet lointain : si l'image bouge en sens contraire, convergente ; dans le même sens, divergente
Exemple
Mamadou a deux lentilles, L₁ et L₂. En regardant un livre, L₁ agrandit les lettres et L₂ les rapetisse. Au Soleil, L₁ donne un petit point lumineux sur une feuille, placée à 25 cm de la lentille ; L₂ ne donne aucun point.
Conclusion : L₁ est convergente, L₂ est divergente.
Le point lumineux formé par L₁ est l'image du Soleil ; il se trouve à peu près au foyer image de la lentille. On peut donc estimer que ce foyer est à 25 cm de la lentille (on précisera cette notion dans la leçon suivante).
Exemple
Classer les lentilles suivantes, décrites par leur forme :
a) une face plane et une face creuse ;
b) deux faces bombées ;
c) une face bombée et une face creuse, la face bombée étant la plus courbée.
a) Plan-concave : bords épais, lentille divergente.
b) Biconvexe : bords minces, lentille convergente.
c) Ménisque convergent : bords minces, lentille convergente.
Méthode
Pour identifier une lentille :
- Je regarde ou touche ses bords (minces ou épais).
- Je confirme par un test optique : effet loupe, image du Soleil, ou déplacement de l'image.
- Je conclus « convergente » ou « divergente » et je nomme sa forme si on la décrit.
- Je dessine son symbole : pointes vers l'extérieur (convergente) ou vers l'intérieur (divergente).
5. Des lentilles partout autour de nous
| Objet | Type de lentille | Rôle |
|---|---|---|
| Loupe | convergente | agrandir un petit objet proche |
| Lunettes de lecture (presbytie, hypermétropie) | convergentes | voir net de près |
| Lunettes de myopie | divergentes | voir net de loin |
| Objectif d'appareil photo, de téléphone | convergent | former une image sur le capteur |
| Œil (cristallin) | convergent | former l'image sur la rétine |
| Projecteur, microscope | convergentes | former des images agrandies |
3Je retiens
Je retiens
Une lentille est un milieu transparent limité par deux faces dont au moins une est sphérique ; elle dévie la lumière par réfraction.
Lentille mince : épaisseur très petite devant les rayons de courbure.
Bords minces : convergentes (biconvexe, plan-convexe, ménisque convergent).
Bords épais : divergentes (biconcave, plan-concave, ménisque divergent).
Axe optique principal et centre optique O ; un rayon passant par O n'est pas dévié.
Symboles : pointes vers l'extérieur (convergente), vers l'intérieur (divergente).
Ne jamais regarder le Soleil à travers une lentille.
4Erreurs fréquentes
- Confondre les symboles : pointes vers l'extérieur pour la convergente, vers l'intérieur pour la divergente.
- Croire qu'un ménisque est toujours convergent : tout dépend de la face la plus courbée (bords minces ou épais).
- Penser qu'une lentille divergente peut agrandir un objet : elle donne toujours une image plus petite de l'objet regardé.
- Oublier que le rayon qui passe par le centre optique n'est pas dévié.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : une lentille à bords ………… est convergente ; une lentille à bords ………… est divergente. Un rayon passant par le ………… n'est pas dévié.
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Une lentille à bords minces est convergente ; une lentille à bords épais est divergente. Un rayon passant par le centre optique n'est pas dévié.
2Exercice 2
Classe les lentilles suivantes en convergentes ou divergentes et nomme leur forme :
a) deux faces creusées ;
b) une face plane et une face bombée ;
c) une face bombée et une face creuse plus courbée que la face bombée.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Biconcave : divergente.
b) Plan-convexe : convergente.
c) La face creuse est la plus courbée : les bords sont épais, c'est un ménisque divergent.
3Exercice 3
Dessine l'axe optique et le symbole d'une lentille convergente, puis d'une lentille divergente. Place le centre optique O.
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On trace une droite horizontale (axe optique). On trace un segment perpendiculaire à cet axe ; leur intersection est le centre optique O. Pour la lentille convergente, on termine le segment par deux pointes de flèche tournées vers l'extérieur ; pour la divergente, par deux pointes tournées vers l'intérieur.
4Exercice 4
Hawa trouve une lentille sans étiquette. Propose deux expériences simples qui lui permettront de savoir si elle est convergente ou divergente, et indique le résultat attendu dans chaque cas.
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Première expérience : regarder un texte proche à travers la lentille. Si les lettres sont agrandies, la lentille est convergente ; si elles sont rapetissées, elle est divergente. Deuxième expérience : placer la lentille dans un faisceau de lumière parallèle (lumière du Soleil) et chercher un point lumineux sur une feuille, sans jamais regarder le Soleil. S'il existe un point très lumineux, la lentille est convergente ; sinon, elle est divergente. (On peut aussi toucher les bords : minces pour une convergente, épais pour une divergente.)
5Exercice 5
(Type BAC) Lors d'une séance de travaux pratiques au lycée, Ousmane place une lentille L face au Soleil et déplace une feuille de papier derrière elle. À 20 cm de la lentille, il obtient un petit point très lumineux.
a) La lentille L est-elle convergente ou divergente ? Justifie.
b) Que représente le point lumineux obtenu ? À quelle distance approximative de la lentille se trouve-t-il ?
c) Ousmane regarde ensuite un texte à travers L, en la tenant tout près de la page. Que voit-il ?
d) Quelle consigne de sécurité faut-il rappeler aux élèves ?
e) Cite deux objets de la vie courante qui contiennent une lentille de ce type.
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a) Elle est convergente : elle concentre la lumière du Soleil en un point.
b) Les rayons venant du Soleil, très éloigné, arrivent parallèles ; ils convergent en un point qui est l'image du Soleil, pratiquement confondue avec le foyer image de la lentille. Il se trouve à environ 20 cm de la lentille.
c) Il voit les lettres agrandies et droites : la lentille joue le rôle de loupe.
d) Ne jamais regarder le Soleil à travers une lentille ; ne pas laisser le point lumineux sur la peau ou sur un objet qui peut brûler.
e) Par exemple : la loupe, les lunettes de lecture, l'objectif d'un appareil photo.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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