Chapitre 2 - Les lentilles minces : foyers et images

On a observé en classe qu’il existait deux types de lentilles, qui modifient le trajet de la lumière de deux façons différentes :

- les lentilles convergentes, qui “concentrent” les rayons de lumière.

- les lentilles divergentes, qui “écartent” les rayons de lumière.

1. Comment distinguer les deux types de lentilles ?1.1. En observant la lentille

Les deux types de lentilles se distinguent par la différence entre l’épaisseur au bord et l’épaisseur au centre.

‣ Les lentilles convergentes :

Elles sont toujours plus épaisses au centre qu’au bord.

Exemples de profils de lentilles convergentes12 :

‣ Les lentilles divergentes :

Elles sont toujours plus fines au centre qu’au bord.

Exemples de profils de lentilles divergentes :

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1 Illustrations : source Wikipedia. Auteur : Panther, licence GFDL.

2 Les parties “pleines” en bleu correspondent aux lentilles. Les traits fins bleus montrent simplement lʼalignement des bords.

1.2. En observant la lumière transmise par la lentillePour faire ces observations, on éclaire la lentille avec une faisceau de lumière (presque) parallèle (en plaçant la lentille assez loin d’une lampe, cela peut suffire3).

‣ Lumière transmise par une lentille convergente

Les lentilles convergentes “concentrent” les rayons de lumière.

Le point vers lequel convergent les rayons de lumière est appelé foyer de la lentille convergente.

La distance entre le centre de la lentille et le foyer de la lentille est appelée distance focale (ou longueur focale) de la lentille. On la note généralement f.

Les lentilles convergentes concentrent donc l’énergie issue de la source de lumière. Cette énergie est transmise non seulement sous forme de lumière, mais aussi sous forme thermique, entraînant un échauffement de la surface sur laquelle arrive le rayonnement. Il peut donc être très dangereux de concentrer ainsi des rayons provenant du Soleil : cela peut entraîner un échauffement tel que la surface sur laquelle les rayons sont concentrés se met à brûler.

De même, il est EXTRÊMEMENT DANGEREUX de concentrer les rayons du Soleil vers l’œil  : ceci entraîne une brûlure de la rétine, qui peut entraîner une perte de vision totale. Cela est d’autant plus dangereux que ce n’est pas douloureux.

‣ Lumière transmise par une lentille divergente :

Une lentille divergente écarte les rayons de lumière  : les rayons de lumière divergent.

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3 Ne pas utiliser la lumière du Soleil, cela peut être dangereux ! (voir plus loin)

transmission de rayons de lumière parallèle par une lentille divergente(source Wikipedia, auteur : fir0002, licence GFDL)

(source Wikimedia Commons ; licence Creative Commons)

2. Obtention de l’image d’un objet avec une lentille convergenteAvec une lentille convergente,on peut obtenir l’image de n’importe quel objet émettant ou diffusant de la lumière. L’image peut être obtenue sur un écran, une pellicule ou un capteur numérique d’appareil photo, ou simplement sur la rétine au fond de l’oeil.

C’est impossible avec une lentille divergente.

Nos manipulations nous ont montré que pour obtenir une telle image, la seule condition était que l’objet soit situé à une distance de la lentille qui doit être supérieure à sa distance focale.

Exemple de disposition correcte de l’objet (ici, WALL-E) :

3. Correction de la myopie et de l’hypermétropie avec des lentilles3.1. L’œil

Un œil est composé de différentes parties, dont les principales sont :- la cornée : c’est la partie de l’œil qui est en contact avec l’air ambiant.- l’iris : c’est la partie colorée de l’œil, qui se dilate ou se contracte en fonction de la luminosité. Il

a un trou en son centre pour laisser pénétrer la lumière dans l’œil.- le cristallin : c’est une sorte de mini-lentille convergente, en forme de ménisque transparent.- le vitré : c’est le liquide transparent qui remplit l’intérieur de l’œil.- la rétine  : c’est le “capteur de lumière” situé au fond de l’œil, et constitué d’un très grande

quantité de cellules sensibles à la lumière.- le nerf optique  : il est constitué de la multitude des petits nerfs provenant des cellules de la

rétine ; il relie l’œil au cerveau.

L’œil est un système optique assez complexe, mais qui peut être simplifié pour mieux le comprendre  : l’ensemble allant de la cornée au vitré peut être assimilé à une lentille convergente.

Un œil “normal” (sans défaut de convergence) forme une image nette sur la rétine (voir image ci-dessous).

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FʼLégende :O : centre de la lentilleFʼ : foyer de la lentilledistance OFʼ : distance focale de la lentille.

Un œil myope est “trop convergent” (ou trop allongé) : les images nettes se forment en avant de la rétine. On place donc une lentille divergente (lunette ou lentille de contact) adaptée, qui permet de former l’image sur la rétine (voir les illustrations ci-dessous).

Un œil hypermétrope est “pas assez convergent” : les images nettes ne se forment pas sur la rétine, mais “au-delà” (en réalité elle ne se forment pas du tout, puisque la rétine arrête les rayons de lumière). On place donc une lentille convergente (lunette ou lentille de contact) adaptée, qui permet de former l’image sur la rétine (voir les illustrations ci-dessous).

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œil myope avec correction(on reconnaît une forme de lentille divergente)

œil hypermétrope avec correction(on reconnaît une forme de lentille convergente)