BUTS GÉNÉRAUX:

Observer le comportement de la lumière frappant une surface réfléchissante.

Tracer sur une feuille les rayons lumineux observés afin de pouvoir faire l’analyse de leurs comportements dans différents systèmes optiques.

MATÉRIEL:

Source lumineuse Lame hémicylindrique

Miroir plan Lentilles

Miroir sphérique Lame à faces parallèles

Les rayons lumineux sont des lignes tracées perpendiculairement aux fronts d’onde lumineux, correspondant ainsi aux directions de propagation de l’onde lumineuse.

Pour simuler un rayon lumineux, il suffit de produire un pinceau étroit et parallèle de lumière. Les fronts d’onde sont des plans parallèles et les rayons seront des lignes perpendiculaires aux premiers.

Sur une surface diffusante, comme le papier, le pinceau de lumière est visible et ressemble ainsi à un rayon lumineux dont on peut suivre le cheminement. Le pinceau, possédant une certaine largeur, il faut méticuleusement, à l’aide d’un crayon bien aiguisé, tracer une ligne au centre du pinceau.

Dans chaque situation proposée ci-après, vous devez au besoin:

• Dessiner le système optique sur une feuille.

• Tracer en traits pleins les rayons lumineux et indiquer par une flèche le sens de propagation de la lumière.

• Tracer en lignes pointillées le prolongement des rayons lorsque cela s’avère nécessaire.

• Ajouter certains éléments géométriques (points, angles, lignes) lorsque cela est nécessaire ou important pour la compréhension du phénomène ou pour la mesure de certaines quantités (centre de courbure, axe optique, foyer, sommet, ...).

• Noter les observations, répondre aux questions, et faire des commentaires s’il y a lieu.

Description de la source lumineuse:

Les trois composantes essentielles de la source sont:

• une ampoule incandescente munie d’un filament qui doit être ajusté selon la verticale.

• une partie coulissante contenant une lentille biconvexe. Le déplacement de cette partie permet l’ajustement du parallélisme du faisceau.

• et un masque amovible permettant de choisir une fente large ou une, trois ou cinq fentes étroites.

Il convient de vérifier et d’ajuster s’il y a lieu le parallélisme des pinceaux lumineux avant chaque nouvelle manipulation. Pour ce faire, utilisez les cinq fentes et ajustez la partie coulissante de la source afin que les pinceaux soient parallèles.

But:

Vérifier que tout angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion lorsqu’un rayon incident est projeté obliquement (0 < qi < 90°) sur la surface d’un miroir plan.

Directives:

• Utilisez la fente étroite du masque.

• Placez le miroir plan sur la figure ci-bas.

• Tracez une normale au miroir au point d’incidence choisi.

• Pour au moins 2 valeurs différentes d’angle d’incidence

• Mesurez les angles d’incidence et de réflexion, par rapport à la normale à la surface.

Question:

Si le rayon arrive selon la normale du miroir, y a-t-il réflexion? Expliquez.

B) LOCALISATION D’UNE IMAGE DANS UN MIROIR PLAN

But:

Localiser l’image d’un objet placé devant un miroir plan en prolongeant les rayons réfléchis (au moins deux) passant par chaque extrémité de l’objet.

Directives:

• Utilisez une seule fente.

• Placez le miroir plan sur la figure ci-bas.

• Éclairez successivement le point A de l’objet (flèche) à l’aide de deux rayons incidents différents. Le point de rencontre des deux rayons réfléchis (ou de leurs prolongements) est l’image de A.

• Refaites la même manipulation pour trouver l’image de B.

• Reliez ensuite les images ponctuelles A et B et reconstituez l’image de l’objet (flèche).

Questions:

Placez votre oeil au même endroit que sur le schéma et regardez dans le miroir. L’image de la flèche que vous voyez est-elle conforme

à celle que vous venez de tracer?

L’image est-elle réelle ou virtuelle? L’image doit être située du côté des rayons réfléchis pour être réelle; dans le cas contraire, elle est

virtuelle.

C) CENTRE DE COURBURE D’UN MIROIR CONCAVE ET AXE OPTIQUE

But:

Localiser le centre de courbure d’un miroir concave.

Note:

Le centre de courbure d’un miroir concave est localisé par le point de rencontre de tous les faisceaux incidents qui, lorsque réfléchis par le miroir, reviennent sur eux-mêmes.

 

Directives:

• Placez le miroir concave sur la figure ci-bas.

• Dirigez sur le miroir deux faisceaux (un à la fois) qui se réfléchiront sur eux-mêmes. Tracez ces rayons et localisez le centre de courbure du miroir.

• Tracez l’axe optique du miroir; l’axe optique est un segment de droite passant à la fois par le centre de courbure et le milieu du miroir (sommet du miroir).

 

Question:

Quel est le rayon de courbure (distance entre le sommet du miroir et le centre de courbure) de votre miroir?

Buts:

Localiser le foyer d’un miroir concave.

Mesurer la distance focale.

Directives:

• Placez le miroir concave sur la figure ci-bas.

• Tracez l’axe optique.

• Dirigez, sur le miroir, trois rayons parallèles à l’axe optique.

• Tracez les rayons incidents et réfléchis.

• Le foyer est au point de rencontre des rayons réfléchis.

Localisez-le.

Question:

Quelle relation existe-il entre le rayon de courbure et la distance focale (distance entre le foyer et le sommet du miroir)?

E) FORMATION D’IMAGES AVEC UN MIROIR CONCAVE

But:

Localiser l’image d’un objet formée par un miroir concave.

Directives:

• Placez successivement le miroir sur les figures ci-bas.

• Trouvez expérimentalement (voir item B) l’image de l’objet (flèche).

• Donnez les caractéristiques de l’image: grandeur, sens, (droite ou renversée) réelle ou virtuelle.

 

F) FORMATION D’IMAGES AVEC UN MIROIR CONVEXE

But:

Localiser l’image d’un objet formée par un miroir convexe.

Directives:

• Placez successivement le miroir sur les figures ci-bas.

• Trouvez expérimentalement (voir item B) l’image de l’objet (flèche).

 

G) LOI DE LA RÉFRACTION

Buts:

Observer le phénomène de réfraction et vérifier la loi de la réfraction.

Déterminer l’indice de réfraction du demi-cylindre.

Directives:

• Placez la demi-lune transparente sur la feuille à l’endroit indiqué.

• Tracez la normale au centre de la face plane et prolongez-la sous la demi-lune.

• Faites tomber un rayon incident sous plusieurs (minimum 3) angles différents, au centre de la face plane.

• Tracez les faisceaux incidents et réfractés.

• Mesurez les angles d’incidence et de réfraction.

• En supposant que l’indice de réfraction de l’air est 1, déterminez l’indice de réfraction de la demi-lune connaissant la loi de la réfraction: n1 sinq1 = n2 sinq2

Question:

Y a-t-il réfraction lorsque le faisceau réfracté dans le verre traverse la face courbe de la demi-lune? Expliquez.

 

 

H) RÉFLEXION INTERNE TOTALE ET ANGLE CRITIQUE

But:

Observer la réflexion totale interne et déterminer l’angle critique.

 

Directives:

• Placez la demi-lune à l’endroit indiqué et tracez la normale.

• Faites pénétrer un faisceau incident jusqu’au point O par la

face courbe de la demi-lune (voir figure ci-bas).

• Répétez pour plusieurs angles d’incidence q1 entre 0 et 90°.

• Trouvez la valeur de l’angle critique, c’est-à-dire: l’angle limite pour lequel le faisceau r ne ressort pas par la face plane.

• Trouvez l’indice de réfraction n de la demi-lune en utilisant l’angle critique.

But:

Observer la dispersion de la lumière traversant un prisme.

Directives:

• Placez le prisme à l’endroit indiqué.

• Faites passer un rayon de lumière blanche à travers le prisme par les deux côtés adjacents à l’angle de 45°(côtés AB et AC).

• Déplacez le rayon jusqu’à ce que vous observiez le meilleur étalement des couleurs.

• Notez la position des couleurs extrêmes et mesurez l’angle les séparant, c’est l’angle de dispersion.

J) LENTILLE BICONVEXE

But:

Déterminer la position du foyer image d’une lentille et sa distance focale.

Directives:

• Placez la lentille à l’endroit indiqué.

• Dirigez sur la lentille, trois rayons parallèles à l’axe optique.

• Tracez les rayons incidents et réfractés.

• Le foyer est au point de rencontre des rayons réfractés. Localisez-le.

• Mesurez la distance focale (distance entre le foyer et le centre de la lentille).

 

Question:

La distance focale change-t-elle lorsque la lentille subit une rotation de 180° (un demi-tour)?

 

 

 

 

But:

Déterminer la position du foyer image d’une lentille et sa distance focale.

Directives:

• Placez la lentille à l’endroit indiqué.

• Déterminez la position du foyer et la distance focale.

 

But:

Observer les aberrations de sphéricité et de chromatisme.

Note:

Les aberrations sont l’ensemble des défauts des systèmes optiques qui ne donnent pas des images nettes. L’aberration sphérique est le défaut associé au fait que les rayons de lumière parallèles à l’axe optique mais loin de celui-ci ne convergent pas en un point si on utilise des surfaces sphériques de réflexion ou de réfraction. L’aberration chromatique est le défaut associé au fait que la marche des rayons n’est pas la même pour chacune des couleurs lors de son passage dans un milieu transparent.

Directives:

• Placez la lentille biconvexe à l’endroit indiqué.

• Utilisant le masque à cinq fentes, faites coïncider l’un des rayons avec l’axe optique de manière à ce que tous les autres soient du même côté de l’axe, simulant ainsi un faisceau très large.

• Observez l’aberration de sphéricité et tracez quelques rayons l’illustrant.

• Vous servant maintenant d’un faisceau unique (parallèle à l’axe optique mais le plus loin possible), notez le croisement des diverses couleurs avec l’axe optique. Chacune des couleurs possède un foyer différent, c’est l’aberration chromatique.

M) POSITION APPARENTE AVEC UNE LAME A FACES PARALLÈLES

Buts:

Observer la position apparente obtenue lors de l’observation d’un objet à travers une lame à faces parallèles.

Déterminer la position de l’image d’un objet observé dans de telles conditions.

Directives:

• Utilisez la fente étroite du masque.

• Placez la lame à faces parallèles sur la figure ci-bas.

• Dirigez un rayon de lumière de l’objet vers un des coins de l’oeil et tracez-le. Répétez pour l’autre coin de l’oeil.

• Déterminez la position de l’image à l’aide des deux rayons pénétrant dans l’oeil.

Question:

S’agit-il d’un phénomène de rapprochement ou d’éloignement?

Y a-t-il un lien entre cette expérience et la difficulté à évaluer, à l’observation, la profondeur exacte d’un piscine?

 

N) FORMATION D’IMAGES PAR UNE LENTILLE CONVERGENTE

Buts:

Observer la formation d’images obtenues à l’aide d’une lentille convergente.

Localiser expérimentalement la position de l’image d’un objet placé à différentes distances d’une lentille convergente.

Caractériser chacune des images obtenues.

 

Directives:

• Collez trois feuilles de papier ensemble dans le sens de la longueur.

• Placez la lentille convergente dans le centre des trois feuilles (voir figure) et tracez l’axe optique.

 

 

• Tracez une flèche (objet) de deux centimètres de hauteur au-dessus de l’axe optique aux distances suivantes par rapport au centre de votre lentille: f/3, f et 2f (f étant la distance focale de votre lentille).

• En faisant passer les rayons appropriés et en les traçant, localisez la position des images.

• Pour chaque objet, dites si son image est droite ou renversée, si elle est réelle ou virtuelle et si elle est plus grande ou plus petite.

 

 

 

 

 

 

O) FORMATION D’IMAGES PAR UNE LENTILLE DIVERGENTE

Buts:

Observer la formation d’images obtenues à l’aide d’une lentille divergente.

Localiser expérimentalement la position de l’image d’un objet placé à différentes distances d’une lentille divergente.

Caractériser chacune des images obtenues.

Directives:

• Collez trois feuilles de papier ensemble dans le sens de la longueur.

• Placez la lentille divergente dans le centre des trois feuilles et tracez l’axe optique.

• Tracez une flèche (objet) de deux centimètres de hauteur au dessus de l’axe optique aux points suivants: f/3, f et 2f (f étant la distance focale de votre lentille en valeur absolue).

• En faisant passer les rayons appropriés et en les traçant, localisez la position des images.

• Pour chaque objet, dites si son image est droite ou renversée, si elle est réelle ou virtuelle et si elle est plus grande ou plus petite.

 

 

 

P) MYOPIE

Buts:

Simuler le comportement de l’oeil.

Déterminer la correction pour la myopie.

Directives:

• Placez la demi-lune à l’endroit indiqué; cette lentille représente le cristallin de l’oeil au repos.

• Utilisez un faisceau de trois rayons parallèles; ce faisceau devrait converger à la position de la rétine de l’oeil normal. On considère que l’oeil myope est plus long que l’oeil normal. (Les écarts représentés sont ici grandement exagérés par rapport à la réalité.)

• Placez une lentille correctrice appropriée afin d’amener l’image sur la rétine de l’oeil myope.

• Tracez alors le contour de la lentille correctrice et les rayons qui forment l’image.

 

Q) HYPERMÉTROPIE

Buts:

Simuler le comportement de l’oeil.

Déterminer la correction pour l’hypermétropie.

 

Directives:

• Placez la demi-lune à l’endroit indiqué; cette lentille représente le cristallin de l’oeil au repos.

• Utilisez un faisceau de trois rayons parallèles; ce faisceau devrait converger à la position de la rétine de l’oeil normal. On considère que l’oeil hypermétrope est plus court que l’oeil normal. (Les écarts représentés sont ici grandement exagérés par rapport à la réalité.)

• Placez une lentille correctrice appropriée afin d’amener l’image sur la rétine de l’oeil hypermétrope.

• Tracez alors le contour de la lentille correctrice et les rayons qui forment l’image.

 

 

 

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