Cette fiche explique les manipulations à suivre pour déterminer le foyer d'une lentille.
Le foyer est un point situé sur l'axe principal où les rayons incidents parallèles à l'axe principal convergent, ou l'endroit d'où ces rayons semblent provenir (dans le cas d'une lentille divergente).
Selon le type de lentille, il existe diverses techniques pour déterminer la position du foyer de la lentille.
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Si une boîte à rayons est utilisée, il ne faut pas diriger les rayons laser dans les yeux d'une autre personne, car des dommages à l'oeil pourraient survenir.
1. Tracer une ligne au centre de la feuille.
2. Déposer la lentille afin que le centre de la lentille coïncide avec le centre de la feuille.
3. Tracer le contour de la lentille.
Afin de bien voir les rayons réfractés, il est préférable de faire ce laboratoire dans l'obscurité.
4. Placer la boîte à faisceaux devant la lentille.
Afin de bien voir les rayons réfractés, il est préférable de faire ce laboratoire dans l'obscurité.
5. En utilisant un filtre à trois ou à cinq faisceaux, projeter des rayons parallèles sur la lentille.
Pour s'assurer que les rayons sont bien placés, il suffit de mettre le rayon central sur la ligne tracée au départ. Ce rayon ne devrait pas être dévié lorsqu'il traverse la lentille.
6. Tracer quelques lignes pointillées dans les rayons réfractés afin d'identifier la position de chacun des rayons lumineux.
7. Retirer la boîte à faisceaux et la lentille de la feuille.
8. Tracer, en partant de la lentille, une ligne passant par les traits pointillés dessinés à l'étape précédente.
9. Au point de rencontre entre les rayons dessinés, ajouter un F indiquant la position du foyer.
Le foyer devrait se retrouver sur l'axe principal, soit le trait central utilisé pour placer la lentille au départ.
10. Ranger le matériel.
En sachant la position du foyer, il est possible de déterminer la longueur focale de la lentille utilisée. Pour ce faire, il faut marquer le centre de la lentille sur la feuille. Il suffit ensuite de mesurer la distance entre le centre de la lentille et le foyer, ce qui représente la longueur focale de la lentille. Dans l'exemple ci-dessous, la longueur mesurée est de |12{,}4\ \text{cm}.| Puisque le foyer de la lentille est du côté opposé aux rayons incidents, la valeur de sa distance focale doit être positive. Sa distance distance focale est donc de |12{,}4\ \text{cm}.|
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Si une boîte à rayons est utilisée, il ne faut pas diriger les rayons laser dans les yeux d'une autre personne, car des dommages à l'oeil pourraient survenir.
1. Tracer une ligne au centre de la feuille.
2. Déposer la lentille afin que le centre de la lentille coïncide avec le centre de la feuille.
3. Tracer le contour de la lentille.
4. Placer la boîte à faisceaux devant la lentille.
Afin de bien voir les rayons réfractés, il est préférable de faire ce laboratoire dans l'obscurité.
5. En utilisant un filtre à trois ou à cinq faisceaux, projeter des rayons parallèles sur la lentille.
Pour s'assurer que les rayons sont bien placés, il suffit de mettre le rayon central sur la ligne tracée au départ. Ce rayon ne devrait pas être dévié lorsqu'il traverse la lentille.
6. Tracer quelques lignes pointillées dans les rayons réfractés afin d'identifier la position de chacun des rayons lumineux.
7. Retirer la boîte à faisceaux et la lentille de la feuille.
8. En partant de la lentille, tracer une ligne passant par les traits pointillés et prolonger chaque rayon derrière la lentille.
9. Au point de rencontre entre les prolongements des rayons dessinés, ajouter un F indiquant la position du foyer.
Le foyer devrait se retrouver sur l'axe principal, soit le trait central utilisé pour placer la lentille au départ.
10. Ranger le matériel.
En sachant la position du foyer, il est possible de déterminer la longueur focale de la lentille utilisée. Pour ce faire, il faut marquer le centre de la lentille sur la feuille. Il suffit ensuite de mesurer la distance entre le centre de la lentille et le foyer, ce qui représente la longueur focale de la lentille. Dans l'exemple ci-dessous, la longueur mesurée est de |13{,}7\ \text{cm}|. Puisque le foyer de la lentille est du même côté que les rayons incidents, la valeur de sa distance focale doit être négative. Elle est donc de |-13{,}7\ \text{cm}.|
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1. Préparer le banc d'optique en déposant le mètre dans les supports.
2. Mettre la lentille dans le support à lentille, et le placer à l'une des extrémités du mètre.
Afin de faciliter la lecture de la longueur focale, il est préférable de placer le support sur une valeur fixe (par exemple, à 1 cm) plutôt que d'utiliser une valeur décimale (par exemple, à 0,4 cm).
3. Placer un écran dans un support à écran, et le placer derrière la lentille.
4. Placer la source lumineuse le plus loin possible de la lentille, devant cette dernière.
5. Déplacer l'écran vers l'avant ou vers l'arrière jusqu'à l'obtention d'une image claire et nette. L'image obtenue devrait être brillante et très petite.
6. Mesurer la distance entre la pointe du support à lentille et la pointe du support à écran.
7. Ranger le matériel.
La distance obtenue entre les deux supports représente la longueur focale. Dans l'exemple ci-dessus, la longueur focale de la lentille convergente est de |12,3 cm|.
Cette méthode permet de calculer la longueur focale sans devoir dessiner quoi que ce soit. Toutefois, il faut s'assurer que l'image obtenue sur l'écran est optimale. Il peut donc être pratique de refaire la manipulation une deuxième fois afin de valider les résultats expérimentaux.
Il n'est pas possible de réaliser cette démarche expérimentale avec une lentille sphérique divergente, puisque ce type de lentille produit une image devant la lentille. Il faudrait alors placer l'écran devant la lentille, ce qui empêcherait la lumière de se rendre jusqu'à la lentille.
Il serait toutefois possible de calculer la longueur focale d'une lentille sphérique divergente dans un système de lentilles.
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