Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les propriétés optiques des lentilles concaves.
Une lentille est un morceau de matériau transparent, avec une forme particulière, qui peut être utilisé pour changer la direction dans laquelle les rayons lumineux se déplacent.
Rappelons qu’un matériau transparent est un matériau qui permet à la lumière de le traverser. En d’autres termes, on peut voir à travers. Deux exemples de matériaux transparents sont le verre et le plexiglas, qui sont souvent utilisés pour fabriquer des lentilles.
Une lentille concave est une lentille ayant une forme qui, vue de côté, ressemble à la forme présentée sur le schéma ci-dessous.
Pour comprendre cette forme, imaginons d’abord un cylindre. Si nous regardons ce cylindre de côté, il ressemble à un rectangle mais nous ne pouvons voir aucune des extrémités circulaires du cylindre. Ceci est illustré ci-dessous.
Maintenant, imaginons deux sphères, une à chaque extrémité de ce cylindre. Vue de côté, ces deux sphères ressemblent à deux cercles, comme indiqué ci-dessous.
Maintenant, imaginons que ces trois formes se chevauchent. Vue de côté, cela ressemble à ce qui est illustré sur le schéma ci-dessous.
La forme d’une lentille concave est celle que nous obtiendrions si nous coupions l’aire du cylindre où les deux sphères le chevauchent.
Nous pouvons décrire une lentille concave comme étant plus mince au milieu et plus épaisse au bord, comme indiqué ci-dessous.
Exemple 1: Identifier une lentille concave
Laquelle des représentations suivantes est une lentille concave ?
Réponse
Une lentille concave est un morceau de matériau transparent qui a deux surfaces courbes et qui est plus mince au milieu et plus épais au bord.
Les lentilles indiquées pour les réponses A et B ont des côtés droits, ni l’une ni l’autre n’est donc la bonne réponse.
La lentille représentée par la réponse C a deux côtés incurvés, mais elle est plus épaisse au milieu et plus mince au bord.
Cela laisse la lentille représentée par l’option D qui a deux côtés incurvés et qui est plus mince au milieu et plus épaisse au bord. La représentation D montre une lentille concave.
Il y a plusieurs termes qui sont utiles pour décrire la forme d’une lentille concave. Pensons à la forme d’une lentille concave formée par deux cercles, comme indiqué ci-dessous.
La lentille concave est maintenant représentée en bleu clair. Les deux cercles sont maintenant indiqués en orange. Les deux points violets indiquent les centres des deux cercles. Il y a un terme spécial pour ces deux points violets ; on les appelle les centres de courbure de la lentille.
Le même schéma est illustré ci-dessous, mais avec deux flèches rouges.
Les flèches rouges indiquent le rayon de chaque cercle. Il y a un terme spécial pour désigner ces rayons ; on les appelle les rayons de courbure. Rappelez-vous que « radii » en anglais est lle pluriel de « rayon »).
Le même schéma est illustré ci-dessous, mais avec une ligne noire en pointillés d’un centre de courbure jusqu’à l’autre.
Cette droite est appelée l’axe optique de la lentille. L’axe optique passe par les deux centres de courbure de la lentille ainsi que par le centre de la lentille.
L’axe optique est aussi appelé axe principal.
Tous ces points et ces droites sont légendés sur le schéma ci-dessous.
Exemple 2: Identifier l’axe optique d’une lentille concave
Le schéma montre une lentille concave. Quelle droite représente l’axe optique de la lentille ? Supposons que les rayons lumineux traversent la lentille à la verticale.
Réponse
Cette lentille concave a été orientée différemment de d’habitude. Nous voyons habituellement des lentilles concaves orientées comme sur le schéma ci-dessous.
Rappelons que la forme d’une lentille concave peut être réalisée en utilisant deux cercles, comme indiqué ci-dessous.
L’axe optique est une droite qui passe par le centre de chaque cercle et le centre de la lentille, comme on peut le voir ci-dessous.
Cependant, pour orienter la lentille de la même manière que celle indiquée dans la question, nous devons faire pivoter la lentille représentée sur le schéma ci-dessus de . Ceci est illustré ci-dessous.
En comparant ce schéma à celui donné dans la question, nous pouvons voir que l’axe optique de la lentille est la droite 1.
Les lentilles peuvent changer la direction des rayons lumineux qui les traversent. Ce processus est connu sous le nom de réfraction.
Le schéma ci-dessous montre ce qui se passe lorsque des rayons lumineux parallèles, indiqués par les lignes rouges, pénètrent dans une lentille concave mince.
Avant que les rayons ne pénètrent dans la lentille, ils sont parallèles. Après que les rayons ont quitté la lentille, ils s’écartent les uns des autres.
Si nous traçons les trajectoires des rayons réfractés à travers la lentille, ils se rencontreraient en un point. Ceci est illustré par le schéma ci-dessous.
Ce point est connu comme le foyer ou le point focal de la lentille. La distance entre le foyer d’une lentille et le centre de la lentille est appelée la distance focale. Ceci est illustré sur le schéma ci-dessous.
Lorsque des rayons de lumière s’éloignent d’un point comme celui-ci, on dit qu’ils divergent. Le schéma ci-dessous montre des rayons lumineux divergents.
Comme les lentilles concaves peuvent faire diverger les rayons, on les appelle parfois lentilles divergentes.
Exemple 3: Identifier les rayons divergents
Lequel des schémas suivants montre les rayons lumineux divergeant à partir d’un point donné ?
Réponse
Rappelons que les rayons lumineux sont divergents s’ils s’éloignent les uns des autres à partir d’un point au fil du temps.
Les réponses B, C et D ne montrent pas de rayons divergents, car les rayons restent à la même distance les uns des autres.
La réponse A ne montre pas des rayons divergents, car les flèches indiquent que les rayons se déplacent vers un point et se rapproche au fil du temps.
La réponse E montre les rayons qui s’éloignent les uns des autres au fil du temps, s’écartant depuis un point. Par conséquent, le choix E montre des rayons divergents.
Points clés
- Une lentille concave est un morceau de matériau transparent ayant la forme illustrée ci-dessous.
- Une lentille concave entraîne l’éloignement des rayons lumineux depuis un point.
- Si les rayons lumineux s’écartent depuis un point au cours du temps, on dit qu’ils sont divergents.
