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HYGIÈNE ET SANTÉ
SON ET LUMIÈRE
Lycée des Métiers LEONARD DE VINCI - 2017/2018
CCOOMMMMEENNTT PPEEUUTT--OONN AAMMÉÉLLIIOORREERR SSAA
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1. Lentilles minces
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TP 1 « Comment faire du feu avec une loupe ? »
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1. « Comment faire du feu avec une loupe ? » Émettre une hypothèse répondant à la question, en l’explicitant le plus précisément possible.
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Document : Lentilles convergentes
Document : Lentilles divergentes
2. Classer les lentilles disposées sur la palliasse en deux catégories : les convergentes et les divergentes.
Appel n°1 : Faire vérifier le tri proposé
3.a. Expérimentalement, faire traverser plusieurs rayons lumineux parallèles les uns aux autres à travers chaque type de lentilles, de façon à ce que tous les rayons arrivent perpendiculairement à la face de la lentille. On décrira les observations faites quant aux rayons émergents pour chacune des lentilles :
Dans le cas d’une lentille convergente : .................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
Dans le cas d’une lentille divergente : ....................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
b. On schématise les lentilles convergentes et les lentilles divergentes par des symboles en double flèche. Indiquer sous chaque schéma s’il s’agit de celui d’une lentille convergente ou d’une lentille divergente.
Lentille convergente Lentille divergente Lentille convergente Lentille divergente
Appel n°2 : Faire vérifier l’association des schémas
c. Quel type de lentille faut-il utiliser pour faire du feu ? Lentille convergente Lentille divergente 4. Regarder la vidéo « comment faire du feu avec une loupe », puis confirmer ou infirmer l’hypothèse
formulée à la question 1., en l’explicitant.
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TP 2 « Comment vérifier les caractéristiques d’une lunette de chantier ? »
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AN Analyser/Raisonner
RE Réaliser
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Communiquer
Document : Lunette de chantier
Son principe de fonctionnement et les techniques d’utilisation sont importantes pour réaliser des mesures les plus justes possibles sans abîmer votre vue.
Document : Éléments d’une lunette de chantier
Une lunette de chantier est constituée de : un objectif constitué d’une lentille de focale f ’1 = 20 cm un oculaire constitué d’une lentille de focale f ’2 = 2 cm
1.a. Combien de lentilles composent la lunette de chantier ? ................... b. La focale étant positive, l’objectif de la lunette de chantier est donc : une lentille convergente une lentille divergente
c. Entourer le ou les schémas ci-contre correspondant au type de lentille constituant l’objectif de la lunette de chantier.
d. Compléter dans le schéma ci-dessous le trajet des rayons lumineux provenant de l’infini
2. Proposer un protocole permettant de déterminer expérimentalement la distance focale d’une lentille. On listera le matériel dont on a besoin.
Matériel nécessaire :
Protocole & Schéma de l’expérience :
Appel n°1 : Faire vérifier la proposition d’expérimentation
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3. Détermination du centre optique et de l’axe optique a. Placer sur la table la feuille d’annexe, et réaliser le montage en utilisant la source lumineuse en mono-
faisceau. Tout au long de l’activité, la lentille ne doit pas changer de position, seule la source lumineuse sera déplacée (on pourra cependant ôter la lentille et la remettre ensuite).
b. Déplacer la source dans plusieurs directions, et rechercher les rayons lumineux qui ne subissent pas de déviation. On tracera alors les rayons lumineux au crayon à papier sur le schéma.
c. Que remarque-t-on par rapport à ces rayons non déviés ? ........................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
d. Repérer sur le schéma le point O, centre optique de la lentille, qui est le point de convergence des rayons non déviés.
e. Positionner la source de façon à obtenir un rayon lumineux perpendiculaire à la lentille et ne subissant pas de déviation. Tracer ce rayon en rouge sur le schéma : il indique l’axe optique de la lentille.
Appel n°2 : Faire vérifier le schéma
4. Détermination du foyer principal image a. Utiliser la source en multi-faisceaux et la placer de sorte que les rayons incidents soient parallèles à
l’axe optique, puis tracer en vert la marche de deux rayons. b. Repérer le point de convergence F ’ des rayons réfractés : c’est le foyer principal image de la lentille.
c. Mesurer la distance OF ’ sur l’annexe : OF ’ = ...................................
La valeur algébrique OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ de cette distance est la distance focale f de la lentille : f = ...............................
Appel n°3 : Faire vérifier la distance focale f
5. Détermination du foyer principal objet et de la vergence a. Utiliser la source en mono-faisceau et rechercher un rayon incident dont le rayon réfracté est parallèle à
l’axe optique. On tracera en bleu la marche de ce rayon. b. Répéter ces étapes pour deux autres rayons. Que remarque-t-on ? .........................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
c. Repérer le point de convergence F des rayons incidents : c’est le foyer principal objet de la lentille.
d. Mesurer la distance OF sur l’annexe : OF = ....................................
En déduire la valeur algébrique OF̅̅ ̅̅ : OF̅̅ ̅̅ = ....................................
e. Comparer les valeurs de OF̅̅ ̅̅ et OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ . ..........................................................................................................
......................................................................................................................................................................
f. Une lentille est caractérisée par sa vergence C (en dioptries ) et se calcule grâce à la relation : C = 1
f
(où f est exprimé en mètres). Calculer la vergence de la lentille expérimentée et la comparer avec la valeur indiquée sur l’emballage de la lentille.
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......................................................................................................................................................................
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6.a. Calculer la vergence C1 de l’objectif de la lunette de chantier.
.................................................................................................
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.................................................................................................
b. Calculer la vergence C2 de l’oculaire de la lunette de chantier.
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2. Image d’un objet à travers une lentille convergente
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ACTIVITE 1 « Quel est le trajet d’un rayon de lumière à travers une lentille ? »
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AN Analyser/Raisonner
RE Réaliser
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Communiquer
Soit un objet éclairé AB dont on cherche à déterminer l’image formée à travers une lentille L. Les schémas suivants présentent les trajets des rayons lumineux issus de A à travers la lentille, en fonction de la position de l’objet AB par rapport au foyer objet F de la lentille L.
On dispose également du fichier Geogebra « LENTILLE CONVERGENTE.ggb », où l’on peut modifier (à l’aide des curseurs) la distance focale de la lentille, la taille de l’objet AB et la distance OA entre l’objet et la lentille.
1. À partir des schémas ci-contre et de la manipulation du fichier Geogebra, compléter le texte ci-dessous avec les étiquettes données :
inférieure supérieure image
réelle centre optique virtuelle
infini objet
Tout rayon passant par le ............................. de la lentille n’est pas dévié.
Tout rayon arrivant parallèlement à l’axe optique ressort de la lentille en passant par son foyer ..................
Tout rayon passant par le foyer .............................. de la lentille ressort parallèlement à l’axe optique.
Lorsque la distance entre l’objet et la lentille est ............................. à la distance focale, le point B’ se
trouve sur le prolongement des rayons. L’image ne peut pas être recueillie sur un écran, elle est
............................. (schéma n° .........).
Lorsque l’objet est placé au foyer, l’image est renvoyée à ............................. (schéma n° .........).
Lorsque la distance entre l’objet et la lentille est ............................. à la distance focale, l’image peut être
recueillie sur un écran, elle est ............................. (schéma n° .........). 2. Parmi les quatre schémas suivants, un seul est correct :
a. Préciser celui qui est correct en le justifiant. ...........................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
Appel : Faire vérifier le choix et le justifier oralement
b. Compléter la figure correcte en traçant les rayons lumineux issus du point C.
D A
B
C
C A
B
C
B A
B
C
A A
B
C
O
F
F’
A
B
A’
B’
O
F
F’
A
B
F F’ A
B
A’
B’
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Exercice 1 : Construction d’images
Construire pour chacun
des trois dispositifs
optiques suivant l’image
de l’objet AB à travers la
lentille, puis préciser si le
dispositif est grossissant
ou rétrécissant.
Exercice 2 : Projecteur de diapositives
Lors de la présentation d’un projet de construction d’un
pont, un ingénieur utilise un projecteur à diapositives.
La partie essentielle du projecteur est constituée d’une
lentille convergente de distance focale 2,5 cm. La
diapositive est placée à 4 cm du centre optique de la
lentille comme l’indique le schéma ci-dessous.
1. Construire l’image A’B’ de la diapositive AB.
2. Comment doit-on
disposer la diapositive
dans le projecteur ?
A
B
O
Lentille
Ecran
Projecteur
Diapositive
B
A F ’ F O
Dispositif grossissant
Dispositif rétrécissant
B
A F ’ F O
Dispositif grossissant
Dispositif rétrécissant
F ’ F
B
A O
Dispositif grossissant
Dispositif rétrécissant
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Exercice 3 : Le verre a saké
Le fond d’un verre à saké est constitué d’une lentille convergente de distance focale f ’1 = 5 mm. Placé 7 mm
sous cette lentille se trouve une photographie.
1.a. Faire un schéma à l’échelle 5 pour déterminer la position de l’image.
b. Quelle type d’image obtient-on ? image virtuelle image réelle.
2. Une fois rempli d’eau, l’association de la lentille et du liquide qui la recouvre se comporte alors comme une
nouvelle lentille convergente de distance focale f ’2 = 10 mm.
a. Faire un schéma à l’échelle 5 pour déterminer la position de l’image.
b. Quelle type d’image obtient-on ?
image virtuelle image réelle.
3. Dans quel cas voit-on correctement l’image au fond du verre ? Justifier la
réponse
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TP 3 « Comment prévoir par le calcul la taille et la position de l’image d’un objet ? »
AB Aborder
AN Analyser/Raisonner
RE Réaliser
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Communiquer
Lors de ses vacances, un chef de chantier veut photographier le pont du Gard. Il utilise à cet effet un appareil photographique muni d’un objectif. L’appareil photographique est considéré comme étant constitué d’une seule lentille, notée L. Pour obtenir une photographie réussie, il faut que l’image A’B’ du pont donnée par l’objectif se forme sur le capteur numérique de l’appareil photographique.
Document : Caractéristiques de la photographie du pont du Gard
Hauteur du pont : AB = 48 m
Distance chef de chantier – pont : d = 500 m
Distance focale de la lentille L : f = 50 mm
Dimension du capteur : 53,9×40,4 mm
Pour prendre la photographie, le chef de chantier se place à une distance d du pont. On considère que la base du pont se trouve sur l’axe optique de la lentille L. 1. Parmi les schémas suivants, lequel correspond à la situation décrite ?
2. Proposer un protocole permettant de déterminer expérimentalement si l’ensemble de l’image du pont se forme bien sur le capteur (ou si le pont sera coupé). On listera le matériel dont on a besoin.
Matériel nécessaire :
Protocole & Schéma de l’expérience :
Appel n°1 : Faire vérifier la proposition d’expérimentation
O
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pont O
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num
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pont
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pont OO
capte
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3.a. Sur un banc optique, placer une source lumineuse, puis un objet transparent (que l’on notera AB) 10 cm après la source lumineuse et enfin un écran à 60 cm de l’objet AB. On note A’B’ l’image qui se formera sur cet écran.
b. Intercaler la lentille convergente L de distance focale f = 10 cm entre l’objet et l’écran, puis déplacer celle-ci jusqu'à obtention d’une image nette sur l’écran.
Appel n°2 : Faire vérifier le montage expérimental et la position de la lentille L
4.a. Schématiser ci-dessous le montage en précisant les positions de la lentille et des points A’ et B’.
b. Entourer ci-dessous en bleu l’objet et en rouge l’image obtenue.
c. Préciser la nature de l’image A’B’ : c’est une image réelle c’est une image virtuelle
5.a. Relever les valeurs suivantes : OA = ............... cm OA’ = ............... cm
OA̅̅ ̅̅ ̅ = ............... cm OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ = ............... cm OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ = ............... cm b. Effectuer les calculs suivants :
1
OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ -
1
OA̅̅ ̅̅ ̅ = .……………………………………………………………………………............
1
OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ = .………………………………………………………………………….…………............
c. Conjecturer une relation entre OA̅̅ ̅̅ ̅, OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ et OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ : .......................................................................................
Appel n°3 : Faire vérifier la conjecture
6.a. Mesurer la hauteur AB de l’objet et la hauteur A’B’ de l’image obtenue sur l’écran (arrondir au mm), puis en donner les valeurs algébriques :
AB = ............... cm A’B’ = ............... cm AB̅̅ ̅̅̅ = ............... cm A ’B ’̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ = ............... cm
b. Calculer le grossissement 𝛾 :
𝛾 =A ’B ’̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅
AB̅̅ ̅̅̅ = .………………………………………………………………………….…………............
c. Pourquoi le grossissement 𝛾 est-il négatif ? ................................................................................................
d. Calculer le rapport entre OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ et OA̅̅ ̅̅ ̅ :
OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅
OA̅̅ ̅̅ ̅ = .…………………………………………….………………………………….…………............
e. Conjecturer une relation entre 𝛾, OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ et OA̅̅ ̅̅ ̅ : ..........................................................................................
7.a. Parmi les images suivantes, quelle est celle qui se forme sur le capteur numérique de l’appareil ?
Échelle horizontale : 1 cm pour 10 cm
A
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b. Sachant que dans le cas de la prise de photographie par le chef de chantier on a :
AB̅̅ ̅̅̅ = 48 000 mm ; OA̅̅ ̅̅ ̅ = – 500 000 mm et OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ = 50 mm
Utiliser la relation de conjugaison 1
OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ =1
OF ’̅̅ ̅̅ ̅̅ +1
OA̅̅ ̅̅ ̅ pour déterminer la valeur de OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅ :
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c. Utiliser la relation du grossissement 𝛾 =A ’B ’̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅
AB̅̅ ̅̅̅ =OA ’̅̅ ̅̅ ̅̅
OA̅̅ ̅̅ ̅ pour déterminer la valeur A ’B ’̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ :
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d. En déduire si l’ensemble de l’image du pont se forme bien sur le capteur (ou si le pont sera coupé).
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Exercice 4 : Prévision du sens d’une image
Une lentille convergente forme sur un écran l’image d’un objet lumineux ayant la forme de la lettre j.
Quelle est l’allure de l’image correcte parmi celles proposées :
Exercice 5 : Relation de conjugaison
On utilise une lentille convergente de vergence 8. Un objet lumineux AB est perpendiculaire à l’axe optique,
le point A est sur l’axe optique et OA̅̅ ̅̅ = – 25 cm.
1. Déterminer la distance focale f de la lentille et en déduire la valeur de OF’̅̅ ̅̅ ̅.
2. Utiliser la relation de conjugaison pour déterminer la position OA’̅̅ ̅̅ ̅ de l’image.
3. On déplace l’objet lumineux et on obtient une nouvelle image à la distance OA1’̅̅ ̅̅ ̅̅ = 15 cm. Déterminer alors
la nouvelle position OA1̅̅ ̅̅ ̅ de l’objet lumineux par rapport à la lentille.
Exercice 6 : Caractéristiques d’une image
Un objet AB de hauteur 10 mm est placé à 300 mm d’une lentille convergente de distance focale f ’ = 100 mm.
1. Schématiser la situation en plaçant A sur l’axe optique. On notera O le centre optique de la lentille et A’B’
l’image de AB.
2. Parmi les grandeurs algébriques suivantes, quelles sont celles qui sont positives : OA̅̅ ̅̅ , OA’̅̅ ̅̅ ̅, AB̅̅ ̅̅ , A’B’̅̅ ̅̅ ̅̅ ?
3.a. En utilisant la relation de conjugaison, calculer la position de l’image.
b. Comparer la valeur calculée avec la valeur déterminée par la représentation graphique.
4.a. En utilisant la relation de grandissement, calculer la taille de l’image.
b. Comparer la valeur calculée avec la valeur déterminée par la représentation graphique.
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3. Modélisation de l’œil
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TP 4 « Comment peut-on adapter sa vision ? »
AB Aborder
AN Analyser/Raisonner
RE Réaliser
VA Valider
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Communiquer
Document : Éléments de l’œil
Dans l’œil, le trajet des rayons lumineux est modifié par la cornée et le cristallin pour leur permettre de converger et de former une image sur la rétine.
Cette image est acheminée vers le cerveau via le nerf optique sous forme d’influx nerveux. Le cerveau enregistre l’image, l’interprète et donne une perception de l’objet ainsi visualisé.
Document : Schéma de principe de l’œil
Pour un œil normal, la déformation du cristallin (« accommodation ») permet de voir nettement les objets placés entre le « punctum remotum » (distance maximale de vison nette) souvent situé à l’infini et le « punctum proximum » (distance minimale de vision nette) .
a. Image nette d’un objet éloigné
b. Image nette d’un objet proche (déformation du cristallin)
1.a. L’hypermétropie est une anomalie de l’œil dans laquelle l’image d’un objet éloigné se forme en arrière de la rétine. La myopie est l’anomalie inverse, l’image de l’objet se formant en avant de la rétine. Replacer sous chacun des trois schémas suivant les étiquettes suivantes :
œil normal œil hypermétrope œil myope
................................................ ................................................ ................................................
b. À l’aide du document , identifier le matériel d’optique du laboratoire permettant de modéliser un œil simplifié en reliant chaque partie de l’œil au matériel correspondant :
Iris Diaphragme
Cristallin Écran
Rétine Lentille convergente
Document : Représentation schématique de l’œil
Appel n°1 : Faire vérifier le placement des étiquettes et la modélisation expérimentale
2. « Comment peut-on corriger les défauts de la vision ? » Émettre une hypothèse répondant à la question, en l’explicitant. ..................................................................
........................................................................................................................................................................
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3. Modélisation expérimentale de l’œil a. On dispose d’un banc d’optique, d’un objet lumineux « F », d’un écran E et d’une lentille convergente
L1. On placera : la source lumineuse sur la graduation 0 du banc ; l’objet « F » à 10 cm de la source ; la lentille L1 à 35 cm de la source.
Placer ensuite l’écran E à 25 cm derrière L1 puis le déplacer jusqu’à obtenir une image nette de l’objet.
b. Comment est cette image par rapport à l’objet F ? ....................................................................................
Appel n°2 : Faire vérifier le montage expérimental
iris
cristallin
rétine
pupille
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
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c. Mesurer la distance P entre la lentille et l’écran. Cette distance, mesurée dans le cas d’un œil supposé normal (modélisé avec la lentille L1) servira de repère, dans les expériences suivantes, pour déterminer les défauts de la vision :
P = ……………… cm (cette distance correspond à la distance entre le cristallin et la rétine de l’œil).
4. La myopie a. Remplacer, sur le banc, la lentille L1 par la lentille L2 de distance focale plus petite et rechercher
comment déplacer l’écran pour retrouver l’image nette de la lettre F. Pour obtenir l’image nette de F, il faut : rapprocher l’écran éloigner l’écran L’image de cet objet se forme : avant la rétine après la rétine
b. Réaliser l’expérience en replaçant l’écran à la distance P de la lentille L2, et en accolant devant la lentille L2 la lentille L3 (dans le même support en tenant l’ensemble avec la main).
c. Compléter sur le schéma ci-contre, la représentation des rayons de lumière issus du point éloigné S et qui convergent sur la rétine au point S’.
5. L’hypermétropie
a. Remplacer sur le banc, la lentille L2 par la lentille L4 de distance focale plus grande que L1 et rechercher comment déplacer l’écran pour retrouver l’image nette de la lettre F. Pour obtenir l’image nette de F, il faut : rapprocher l’écran éloigner l’écran L’image de cet objet se forme : avant la rétine après la rétine
b. Replacer l’écran à la distance P de la lentille L4. c. Déterminer, parmi les lentilles à disposition, celle qu’il faut accoler à la lentille L4 pour obtenir une image
nette sur l’écran.
Appel n°3 : Faire vérifier le choix de la lentille et le justifier expérimentalement
d. Quelle type de lentille permet de corriger le défaut d’hypermétropie ? une lentille convergente une lentille divergente
e. Compléter le schéma ci-contre : en représentant devant l’œil la lentille correctrice adaptée ; en traçant les rayons de lumière issus du point éloigné S et qui
convergent sur la rétine au point S’. 6. Confirmer ou infirmer l’hypothèse formulée à la question initiale, en
l’explicitant précisément. ...................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
4. Dispositif de la loupe
ACTIVITE 2 « Fonctionnement d’une loupe »
Pour observer des détails tout petits, on a parfois recours à l’utilisation d’une loupe. La loupe est une lentille convergente et permet d’obtenir une image agrandie, droite et virtuelle de l’objet observé. Une loupe, assimilable à une lentille mince convergente, donne d’un petit objet une image agrandie. 1. L’image obtenue peut-elle être observée sur un écran ? Oui Non 2.a. Entourer sur le schéma ci-dessous la position correcte de l’œil.
b. Construire sur le schéma le rayon issu de B qui passe par le centre optique de la loupe.
c. Montrer, en le traçant, que rayon issu de B parallèle à l’axe optique semble provenir du point B’.
3.a. Le schéma étant à l’échelle, déterminer la distance focale f de cette loupe. f = ........................ b. En déduire sa vergence C. .........................................................................................................................
B
A F ’ F O
B’
A’
Image Objet
Loupe
S ’ S
œil hypermétrope
S ’ S
œil myope
