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Fiche explicative de la leçon : Dessiner des diagrammes de rayons pour des lentilles concaves Sciences

Dans cette fiche explicative, nous apprendrons comment réaliser des schémas de rayons lumineux interagissant avec des lentilles concaves.

Le schéma suivant montre comment les rayons lumineux initialement parallèles changent de direction lorsqu’ils passent à travers une lentille concave.

On voit que les distances entre les rayons lumineux augmentent au fur et à mesure que les rayons passent à travers la lentille.

Lorsque les rayons lumineux divergent, ils ne se focalisent pas en un point. Cela signifie que ces rayons lumineux ne forment pas une image réelle qui peut être projetée sur un écran.

Le fait que les rayons lumineux sortant de la lentille divergent suggère que les trajectoires de ces rayons commencent tous par à un point unique de l’autre côté de la lentille.

Et c’est bien le cas. Le point auquel les trajectoires des rayons lumineux sortant de la lentille se croisent est indiqué sur le schéma suivant.

Ce point est appelé foyer de la lentille. Ceci est illustré par le schéma suivant.

La distance entre le centre de la lentille et le foyer est appelée la distance focale.

Les directions des rayons lumineux qui passent à travers la lentille dépendent de deux règles.

La première règle s’applique à tout rayon lumineux qui passe à travers la lentille.

Règle: Réfraction des rayons lumineux sur l’axe optique d’une lentille concave

Tout rayon lumineux qui passe par le centre d’une lentille concave ne change pas de direction.

La deuxième règle s’applique aux rayons lumineux qui sont parallèles à l’axe optique avant d’atteindre la lentille et qui ne passent pas par le centre de la lentille.

Règle: Réfraction des rayons lumineux en dehors de l’axe optique d’une lentille concave

Un rayon lumineux parallèle à l’axe optique mais qui ne se trouve pas le long de celui-ci change de direction lorsqu’il passe à travers une lentille concave. La direction du rayon lumineux sera modifiée de sorte qu’elle se trouve sur une droite qui passe par le point focal. Ce point se trouve du côté de la lentille à partir duquel les rayons lumineux sont entrés dans la lentille.

Regardons maintenant quelques exemples sur les foyers des lentilles concaves.

Exemple 1: Identifier l’effet d’une lentille concave sur les trajectoires des rayons lumineux parallèles

Lequel des schémas suivants montre ce qui se passe lorsque des rayons lumineux parallèles passent à travers une lentille mince et concave?

Réponse

La réponse E montre une lentille concave qui n’a aucun effet sur les trajectoires des rayons lumineux. Nous voyons que les directions de ces rayons lumineux ne sont pas le long de lignes qui se croisent. Cela signifie que les lignes représentant les directions de ces rayons ne passent pas toutes par un seul point, ce que l’on devrait observer lorsqu’elles sont montrées correctement.

La réponse C montre une lentille concave qui change la direction des rayons lumineux qui la traversent. Encore une fois, nous voyons que les directions de ces rayons lumineux ne sont pas le long de lignes qui se croisent. Cela signifie que les lignes représentant les directions de ces rayons ne passent pas toutes par un seul point, ce qu’elles doivent faire lorsqu’elles sont schématisées correctement.

La réponse D montre une lentille concave qui change la direction des rayons lumineux de la même manière que la réponse C, mais vers le haut et non vers le bas. La réponse D est alors incorrecte pour la même raison que la réponse C.

La réponse B montre les rayons parallèles focalisés en un point. Ce point se trouve du côté opposé de la lentille par rapport à celui d’où arrivent les rayons lumineux. Pour une lentille concave, les rayons ne se croisent pas.

La réponse A indique que les rayons lumineux s’écartent après avoir traversé la lentille. Les directions de ces rayons sont le long de lignes passant par un point qui est du même côté de la lentille que là d’où arrivent les rayons lumineux. C’est la bonne réponse.

Exemple 2: Identifier la trajectoire d’un rayon lumineux qui passe à travers une lentille concave

Chacun des schémas suivants montre un rayon entrant dans une mince lentille concave. Le point P est le foyer de la lentille. Avant que le rayon ne pénètre dans la lentille, il est parallèle à l’axe optique. Il passe par le centre de la lentille. Quel schéma illustre correctement la trajectoire du rayon après son passage à travers la lentille?

Réponse

Tout rayon lumineux qui passe par le centre d’une lentille ne change pas de direction. Dans les réponses B et C, le rayon lumineux passe par le centre de la lentille et change de direction.

Seule la réponse A indique que le rayon lumineux ne change pas de direction. C’est la bonne réponse.

Exemple 3: Identifier la trajectoire d’un rayon lumineux qui passe à travers une lentille concave

Chacun des schémas suivants montre un rayon entrant dans une mince lentille concave. Le point P est le foyer de la lentille. Avant d’entrer dans la lentille, le rayon est parallèle à l’axe optique de la lentille. Quel schéma illustre correctement la trajectoire du rayon après son passage à travers la lentille?

Réponse

Le rayon lumineux qui pénètre dans la lentille est parallèle à l’axe optique, mais pas le long de l’axe optique. Ce rayon ne passe pas par le centre de la lentille. Le rayon doit alors changer de direction. Le changement de direction du rayon doit se faire tel que la direction soit le long d’une ligne qui passe par le foyer de la lentille.

Seule la réponse A indique la direction du rayon lumineux le long d’une ligne passant par le foyer, c’est donc la réponse correcte.

Exemple 4: Identifier les foyers d’une lentille concave

Le schéma montre une lentille mince concave. La lentille est symétrique. Le point marqué P est l’un des foyers de la lentille. En utilisant la grille, déterminez lequel des points (I, II, III ou IV) est l’autre foyer de la lentille.

Réponse

Les rayons lumineux peuvent traverser la lentille du côté gauche vers le côté droit ou dans la direction opposée.

La lentille est symétrique, de sorte que l’effet de la lentille sur les rayons lumineux parallèles est équivalent dans les deux sens.

Le point P est le foyer des rayons lumineux passant du côté gauche au côté droit. Ce point est à une distance égale à la longueur de 3 carrés par rapport au centre de la lentille.

Comme la lentille est symétrique, la distance focale de la lentille est la même de chaque côté de la lentille.

Le point situé à une distance égale à la longueur de 3 carrés par rapport au centre de la lentille, du côté droit, est le point II.

Ceci est illustré par le schéma suivant.

L’existence du foyer pour une lentille concave signifie que les rayons lumineux sortant de la lentille peuvent former une image virtuelle, qui peut être vue par un œil humain.

Une telle image virtuelle est représentée sur le schéma suivant.

Vue d'une plante à travers une loupe concave

Il est important de noter que l’objet derrière la lentille peut être vu à travers la lentille.

Cela nous indique que les rayons lumineux sortant de la lentille ne partent pas du foyer. Les rayons partent tous de différents points de l’objet derrière la lentille. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Considérons un objet dont la base est à la même hauteur que celle du milieu d’une lentille concave. Ceci est illustré par le schéma suivant.

On voit un rayon lumineux venant du sommet de l’objet arriver dans la lentille parallèlement à un rayon lumineux issu de la base de l’objet.

L’image formée par la lentille concave nécessite un autre rayon lumineux. Ceci est illustré par le schéma suivant.

On voit que le rayon lumineux supplémentaire considéré vient aussi du sommet de l’objet. Ce rayon passe par le centre de la lentille.

Si le foyer de la lentille est ajouté au schéma, la position et la taille de l’image de l’objet sont affichées.

Nous remarquons que les rayons lumineux de la base de l’objet ont les mêmes directions que les rayons lumineux de la base de l’image.

Nous remarquons que les rayons lumineux du sommet de l’objet ont les mêmes directions que les rayons lumineux du sommet de l’image.

Cela signifie que l’objet et l’image sont dans le même sens.

On voit aussi que l’image est plus petite que l’objet.

C’est ce que nous observons lorsque nous regardons à travers une lentille concave. Le schéma suivant montre cela.

Résumons maintenant ce qui a été appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Une lentille concave fait diverger les rayons lumineux parallèles qui la traversent.
  • Une lentille concave ne focalise pas les rayons lumineux qui la traversent.
  • Une lentille concave a un foyer du côté de la lentille depuis lequel la lumière arrive.
  • Une lentille concave forme une image virtuelle.
  • L’image formée par une lentille concave est plus petite que l’objet qui la produit.
  • L’image formée par une lentille concave est dans le même sens que l’objet qui la produit.

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