Quel est le point commun entre une loupe, des lunettes pour la vue, un appareil photo, un œilleton de porte et un microscope ?

Réponse : tous ces objets contiennent des lentilles optiques. Qu’est-ce qu’une lentille et quelles sont ses propriétés ?

I°) Deux types de lentilles :

Ø Les lentilles sont fabriquées dans un matériau transparent (verre ou plastique). L'épaisseur au centre est différente de celle des bords. Elles ont des formes très diverses comme on peut le constater ci-dessous :

Schéma 1 : Différents types de lentilles
Lentille convergente   Lentille divergente

Ø  On peut observer que toutes ces lentilles sont délimitées par deux surfaces lisses dont l’une au moins est une surface courbe. Elles sont également toutes symétriques par rapport à un axe appelé axe optique.

Ø  Les lentilles peuvent se classer en deux types :

• celles dont le centre est plus épais que les bords sont des lentilles convergentes (ligne du haut sur le dessin précédent).
• celles dont les bords sont plus larges que le centre sont des lentilles divergentes (ligne du bas sur le dessin précédent).

Voici comment elles sont symbolisées sur les schémas d’optique :

remarque : Pour déterminer le type d'une lentille, il suffit de la poser sur la page d'un livre puis de l'éloigner légèrement. Si le texte apparaît plus gros, la lentille est convergente s'il apparaît plus petit elle est divergente.

À part leur forme qu’est-ce qui différencie ces deux types de lentilles ?

II°) Les propriétés des lentilles :

Pour les déterminer, il faut observer l’action qu’elles exercent sur la lumière qui les traverse. Pour cela, réalisons les expériences suivantes :

a) Lentille convergente :

• Protocole : Avec une lentille convergente dont l'axe est dirigé vers le soleil, nous pouvons concentrer la lumière en une petite tache pratiquement réduite à un point (voir doc. 3 p 202). Si nous plaçons une feuille de papier en ce point, elle s'enflamme.

Schéma de l'expérience :

Schéma 3 : Action d'une lentille convergente sur des rayons parallèles

Remarque : C'est parce que le soleil est très loin que l'on peut considérer que ses rayons sont parallèles. Pour créer en laboratoire des rayons lumineux parallèles on utilise un peigne que l'on place devant une source de lumière.

• Observation : Le point de l'axe optique intersection des rayons déviés est noté F et appelé foyer de la lentille. On dit que les rayons convergent en F après avoir traversé la lentille.

b) Lentille convergente :

• Protocole : Si nous effectuons avec une lentille divergente l'expérience précédente, nous n'obtiendrons jamais de petite tache lumineuse. Est-ce que cela veut dire qu'une lentille divergente ne possède pas de foyer ?

Schéma de l'expérience :

Schéma 4 : Action d'une lentille divergente sur des rayons parallèles

• Observation : Les rayons divergent après avoir traversé la lentille. Si on prolonge les rayons lumineux déviés (en pointillé sur le schéma), on remarque que ceux-ci se coupent sur l'axe optique en un point que l'on note F' (prononcé F prime) et que l'on appelle le foyer virtuel de la lentille divergente.

Avec les deux types de lentilles, le rayon situé sur l’axe optique n’est pas dévié. Par contre, tous les autres rayons sont déviés de la manière suivante :

Ø dans le cas des lentilles convergentes ils se rapprochent les uns des autres et se rencontrent en un point de l’axe optique appelé le foyer F de la lentille ;

Ødans le cas des lentilles divergentes, les rayons initialement parallèles s’éloignent les uns des autres.

• Interprétation :

Ø Un rayon lumineux est dévié lorsqu’il traverse une lentille (sauf le rayon situé sur l’axe optique).

Ø Seules les lentilles convergentes possèdent après la lentille un foyer, le point de convergence de rayons initialement parallèles et ayant été déviés en traversant la lentille. Pour ces lentilles on définit la distance focale f = [OF] distance entre le centre de la lentille convergente et le foyer (voir schéma 3).

Remarque : si l’on remplace la lentille convergente précédente par une lentille convergente plus épaisse, on constate que les rayons parallèles convergent plus près de la lentille. Plus une lentille convergente est épaisse plus son foyer est proche de la lentille et plus sa distance focale est petite. La distance focale caractérise donc une lentille : des lentilles différentes auront des distances focales différentes.

III°) L'image d'un objet donné par une lentille convergente :

Comment fait-on pour obtenir une image nette avec un appareil photo manuel ?

Réponse : selon la distance à l’objet, il faut effectuer la mise au point en faisant varier la distance entre la lentille convergente de l’objectif et la pellicule. Pourquoi et comment effectuer cette mise au point ?

a) Rappel : Une distance privilégiée : la distance focale

Nous avons vu qu'une lentille convergente possède un foyer où convergent des rayons lumineux initialement parallèles. Ces conditions sont réalisées, par exemple, quand on aligne l’axe optique d’une lentille convergente (comme celle qu’une loupe) avec la direction du Soleil, une source de rayons lumineux parallèles. En déplaçant une feuille de papier derrière la loupe (c’est-à-dire entre la loupe et le Soleil), on constate effectivement qu’il existe un point particulier où les rayons convergent pour former une tâche lumineuse très intense et si énergétique que la feuille peut s’enflammer. C’est pourquoi il ne faut surtout pas mettre son œil à la place de la feuille pour regarder le Soleil à travers une loupe. Le Soleil se regarde toujours indirectement (sur un écran). La distance entre le centre de la lentille noté O et le foyer de la lentille noté F s’appelle la distance focale notée f.

b) L’image d’un objet lointain par une lentille convergente :

Ø Un objet lointain est un objet dont la distance à la lentille est très supérieure à la distance focale de la lentille. Nous pouvons considérer que les rayons qui proviennent de cet objet sont parallèles.

ØSur un écran quelconque, regardons l’image d’un paysage lointain (c’est l’objet) fournie par une lentille convergente. Nous observons une image retournée et nette du paysage quand l’écran se situe à la distance focale de la lentille. On n’obtient une image nette de l’objet que pour une seule position de l’écran : l’image est localisée.

Pour déterminer la distance focale d’une lentille convergente, il suffit donc de mesurer la distance entre la lentille et l’endroit où apparaît nette l’image d’un objet lointain.

Remarque : avec une lentille divergente, on constaterait que l’on ne peut pas obtenir d’image quelle que soit la distance entre la lentille et l’écran.

Les images d’objets plus proches se situent-elles également à la distance focale f de la lentille ?

c) L’image d’un objet proche par une lentille convergente :

Réalisons quelques expériences pour observer de telles images. Nous notons d la distance entre la lentille et l’objet et f  la distance focale de la lentille.

• Protocole : alignons sur l’axe optique d’une lentille convergente un objet lumineux (non symétrique par rapport à cet axe) et un écran. La lentille étant fixe, où doit-on placer l’écran pour obtenir une image nette ?

• Observation :
  • si d < f, aucune image ne peut être observée sur l’écran 

mais on peut observer une image à travers la lentille : elle joue alors le rôle de loupe ;

• si d > f, nous observons une image nette et inversée de l’objet mais à une distance plus grande que la distance focale.

• Interprétation : pour obtenir l’image d’un objet sur un écran, il faut que l'objet soit placé à une distance d supérieure à la distance focale de la lentille convergente. L’image obtenue est inversée et se situe à une distance supérieure à la distance focale.

• Remarque : plus nous éloignons l’objet de la lentille, plus l’écran doit être proche de la lentille pour obtenir une image nette et plus celle-ci est agrandie.

Ø Nous constatons que si l’objet est à une distance d = 2f de la lentille, l’image obtenue a la même taille que l’objet.

Ø Pour f < d < 2f, l’image est plus grande que l’objet et pour d > 2f, l’image est plus petite que l'objet.

L'essentiel à retenir absolument :

Les différents cas possibles