Tp (cours ) n°1 d`optique : Découverte du matériel

Tp (cours ) n°1 d’optique : Découverte du matériel et obtention d’images par
des lentilles minces
I Réglage du faisceau
La première étape de tous vos travaux pratiques d’optique consiste à régler avec beaucoup de soin le faisceau lumineux (la
bonne marche du TP en dépend).
1) Les sources de lumière au laboratoire
En dehors des sources naturelles de rayonnement ,telles que les étoiles, on peut distinguer trois types de sources de
rayonnement lumineux:
• Lampes à incandescence; elles sont constituées par un filament métallique, souvent du tungstène, que l’on porte à une
température de l’ordre de 2500K. Elles émettent une lumière blanche et sont très utilisées sur les bancs d’optique.
• Lampes à décharge ;ce sont des tubes contenant une vapeur d’un gaz (mercure, sodium, zinc, néon argon....) sous
faibles pressions dans lesquels on produit des décharges électriques qui excitent les atomes; ces mêmes atomes
émettent alors en se désexcitant une lumière caractéristique. Utilisées surtout en spectrométrie.
• Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
On provoque dans un gaz, placé dans une cavité dite résonnante, une inversion de population obtenu électriquement.
Les atomes « retombent » alors dans l’état fondamental en émettant une lumière monochromatique. Très utilisés et
très en vogue actuellement en raison de leur forte puissance et de leur cohérence.
Les diodes laser fonctionnent sur le même principe . Le laser Hélium-Néon que nous utiliserons émet une radiation
λ=612.8 nm.
Lampe à incandescence du laboratoire : Observer dans le boîtier :
•
•
La lampe et son filament S
L’effet des différents boutons de réglage en hauteur, latéralement, rotation.
2) Etude du condenseur C
•
•
•
•
•
Visualiser l’image S’ du filament S donnée par C. Modifier la position de S’.
On veut S’ réel, donc un faisceau émergent convergent . Pourquoi ? Quelle doit être pour cela la distance SC minimale?
Le faisceau émergent peut être irisé notamment les bords: Pourquoi ?
L’objet doit être placé juste après le condenseur pour profiter du meilleur éclairement et SC doit être réglé pour que
l’image du filament ne se superpose pas à l’objet.
Conclure sur le rôle du condenseur.
3) Centrage alignement et réglage de hauteur
Technique du diaphragme : On utilise un diaphragme que l’on met (avec précision) à la même hauteur que le condenseur et
qui va servir de repère de l’axe optique. On translate alors sur le banc optique le diaphragme. A l’aide des réglages de la
lampe on impose pour chaque position du diaphragme un éclairement uniforme et centré.
II Obtention d’une image
1) Pointé longitudinal de l’image réelle d’un objet réel par une lentille convergente
•
•
•
•
Choisir un objet AB.
Prendre une lentille convergente de focale +20 cm (par exemple) et l’amener près de l’objet pour en régler la hauteur.
Placer ensuite l’objet à plus de 20 cm de la lentille. (on appelle O le sommet de la lentille)
L’éclairer uniformément et obtenir une image nette A’B’ sur l’écran. (Faire une visée soignée en mettant au point sur
des détails très fins). Evaluer l’erreur commise due à la latitude de mise au point ∆OA’.
Noter: - la position de A et la position de A’ correspondant à une vision nette.
- le grandissement expérimental et le grandissement
- effectuer plusieurs pointés.
- consigner vos résultats sous la forme d’un tableau :
OA
OA’
1//OA’-1//OA
γexp
γ=/OA’//OA
1/2
Technique de mesure du grandissement : On remplace l’objet (sans modifier sa position) par une règle graduée
transparente. Il suffit alors de mesurer sur l’écran la distance qui correspond à un centimètre sur la règle.
•
En déduire une valeur expérimentale de f’ et calculer l’erreur relative
f 'exp − f 'théo
f 'théo
.
2) Observation d’une image virtuelle
(On utilisera un objet opaque)
• En utilisant le même système optique, réaliser l’image d’un objet situé entre la lentille et son foyer objet. Le pointé
est-il possible?
• L’image est elle visible ? Comment? Faire une construction géométrique.
III Etude de la lentille mince
1) Caractère convergent ou divergent
En observant (‘à l’œil’) simplement une feuille qui contient des caractères à travers une lentille et en faisant varier la
distance feuille lentille compléter sur votre feuille les commentaires suivants :
Conclusion :
• Une lentille convergente donne d’un objet réel situé avant son foyer objet une image ……………..
• Une lentille convergente donne d’un objet réel situé entre son foyer et son centre une image ……..
• Une lentille divergente donne d’un objet réel une image …………………………………………...
•
2) Mise en évidence du foyer
En utilisant le banc d’optique mettre en évidence le foyer objet d’une lentille.
On utilise maintenant la platine métallique dont la source doit être alimentée par du 6 volts continu. En plaçant le cache
qui possède trois fentes (rayons de lumière parallèles) mettre en évidence les foyers images d’une lentille plan-concave
et plan-convexe .
•
•
3) Les défauts des lentilles
a)
Aberrations chromatiques
Observation sur la platine tournante.
En réitérant l’expérience précédente avec la lentille convergente, que remarquez vous en ce qui concerne les couleurs?
• Observation sur le banc d’optique.
Réaliser l’image très nette d’un objet très lumineux (trou sur fond noir) ou bien carrément le filament par une lentille
convergente (de focale 10 cm par exemple) .Qu’observez vous sur les bords de l’image et à quoi attribuez-vous ces
phénomènes ?
Noter précisément la position de cette image.
Réitérer cette expérience en lumière rouge (filtre à 595 nm) puis en lumière bleue (filtre à 505 nm).
Comparer les positions des deux images et conclure.
•
b) Aberrations sphériques
•
•
Observation sur le banc d’optique.
Après avoir placé sur la source un papier calque dont le but est de mieux diffuser la lumière , réaliser l’image très
nette d’une grille métallique fine par une lentille convergente de focale 10 cm.
Placer un diaphragme entre la grille et la lentille: on observe une distorsion en barillet.
Placer un diaphragme entre l'écran et la lentille: on observe une distorsion en coussinet.
Observation sur platine tournante.
Envoyer des rayons de lumière parallèles sur la face plan d’une lentille épaisse plan-convexe. Incliner la lentille autour
de son axe. Que remarquez vous sur la focalisation des rayons? A quoi attribuez vous ce phénomène?
2/2