Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les propriétés optiques des lentilles convexes.
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 au travers. Deux exemples de matériaux transparents sont le verre et le plexiglas, qui sont souvent utilisés pour fabriquer des lentilles.
Une lentille convexe est une lentille ayant une forme qui, vue de côté, ressemble au schéma ci-dessous.
Pour comprendre cette forme, tout d’abord, imaginons deux sphères. Vue de côté, ces deux sphères ressembleraient à deux cercles, comme indiqué ci-dessous.
Maintenant, imaginons que ces deux sphères se chevauchent. Vue de côté, cela ressemble à deux cercles superposés, comme indiqué ci-dessous.
L’aire où les deux sphères, ou cercles, se chevauchent représente la forme d’une lentille convexe.
Nous pouvons décrire une lentille convexe comme étant plus épaisse au milieu et plus mince au bord, comme indiqué ci-dessous.
Exemple 1: Identifier une lentille convexe
Laquelle des représentations suivantes est une lentille convexe ?
Réponse
Une lentille convexe est un morceau de matériau transparent qui a deux surfaces courbes et qui est plus épais au milieu et plus mince au bord.
B et D n’ont que des côtés droits, ce ne sont donc pas les bonnes réponses.
A a deux côtés incurvés, mais est plus mince au milieu et plus épaisse au bord.
Cela laisse la réponse C, qui a deux côtés incurvés et qui est plus épaisse au milieu et plus mince au bord. La réponse C représente une lentille convexe.
Il y a plusieurs termes qui sont utiles pour décrire la forme d’une lentille convexe. Pensons à la forme d’une lentille convexe comme deux cercles superposés, comme indiqué ci-dessous.
La lentille convexe est maintenant représentée en bleu clair. Les deux cercles superposés sont maintenant représentés en orange. Les deux points violets indiquent les centres des deux cercles. Il y a un terme spécial pour ces deux points, 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 les rayons de chaque cercle. Il y a un terme spécial pour ces rayons, on les appelle les rayons de courbure. (Rappelez-vous que « rayons » est juste le pluriel de « rayon ».)
Le même schéma est illustré ci-dessous mais avec une ligne pointillée noire d’un centre de courbure 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 le centre de la lentille.
L’axe optique est aussi appelé axe principal.
Tous ces points et ces droites sont indiqués sur le schéma ci-dessous.
Exemple 2: Identifier l’axe optique d’une lentille convexe
Le schéma montre une lentille convexe. Les rayons lumineux traversent la lentille dans une direction verticale. Quelle droite représente l’axe optique de la lentille ?
Réponse
Cette lentille convexe a été orientée différemment de la façon dont nous voyons habituellement les lentilles convexes. D’habitude, les lentilles convexes sont orientées comme sur le schéma ci-dessous.
Rappelons que la forme d’une lentille convexe est la même que l’aire où deux cercles se chevauchent, 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 indiqué ci-dessous.
Cependant, afin d’orienter la lentille de la même manière que dans la question, nous devons faire tourner 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 2.
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, passent dans une lentille convexe mince.
Avant que les rayons n’arrivent dans la lentille, ils sont parallèles. Après que les rayons ont quitté la lentille, ils se rapprochent et finissent par se rencontrer au point marqué F.
Les rayons sont focalisés en un point par la lentille.
C’est une propriété très utile des lentilles convexes. Le point F est appelé foyer ou point focal. La distance entre le foyer d’une lentille et le centre d’une lentille est appelée la distance focale. Ceci est illustré sur le schéma ci-dessous.
Lorsque des rayons de lumière se rapprochent et se rencontrent en un point comme celui-ci, on dit qu’ils convergent. Le schéma ci-dessous montre les rayons lumineux convergents.
Comme une lentille convexe peut faire converger des rayons, les lentilles convexes sont parfois appelées lentilles convergentes.
Exemple 3: Identifier les rayons convergents
Lequel des schémas suivants représente des rayons lumineux convergeant en un point ?
Réponse
Rappelons que les rayons lumineux convergent s’ils se rapprochent au cours du temps et se rencontrent en un point.
Les réponses B, C et D ne montrent pas de rayons convergents, car les rayons restent à la même distance les uns des autres.
La réponse A ne montre pas de rayons convergents, car les flèches indiquent que les rayons s’éloignent depuis un point au fur et à mesure que le temps passe.
La réponse E montre des rayons qui se rapprochent au fil du temps et se rencontrent en un point. Par conséquent, la réponse E montre des rayons convergents.
Points clés
- Une lentille convexe est un morceau de matériau transparent ayant la forme illustrée ci-dessous.
- Une lentille convexe peut focaliser des rayons lumineux en un point.
- Si les rayons lumineux se rapprochent au fil du temps et se rencontrent en un point, on dit qu’ils convergent.
