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Vidéo de la leçon : Lentilles convexes Sciences

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à identifier les propriétés optiques des lentilles convexes.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à identifier les propriétés optiques des lentilles convexes. Avant de voir en détail ce que sont les lentilles convexes, considérons d’abord une lentille. Tous les types de lentilles ont deux choses en commun. Premièrement, les lentilles sont transparentes. Cela signifie que l’on voit à travers, que la lumière passe à travers. Par exemple, une lentille peut être un morceau de verre comme celui-ci, à travers lequel il est possible de voir. La deuxième propriété des lentilles est qu’elles font converger ou diverger la lumière. Nous avons ici un rayon de lumière qui se déplaçait de cette manière jusqu’à atteindre la lentille. Puis, la lentille a dévié très légèrement le rayon, en changeant sa direction. Ce phénomène de déviation se produit en fait deux fois : lorsque le rayon entre dans la lentille et lorsqu’il ressort.

Les lentilles peuvent avoir n’importe quelle forme, mais elles sont souvent de la forme des verres d’une paire de lunettes. Les lentilles de ce type sont souvent en verre ou en plastique. Lorsque nous les observons de face, les lentilles et les verres de lunettes ressemblent à des cercles. Mais pour travailler avec des lentilles, ce que nous allons faire, c’est que nous allons les regarder de côté. Avec cette vue, voici comment se présente une lentille convexe. Notons que la lentille est plus épaisse au centre et s’amincit sur les côtés En fait, la forme d’une lentille convexe est déterminée de manière très précise. Voilà comment cela fonctionne, cette partie, ce côté de la lentille, correspond à une section d’un grand cercle. Voilà pourquoi cette partie de la lentille apparaît courbée de cette manière. Nous avons la même chose pour l’autre côté de la lentille convexe.

Nous avons donc deux grands cercles et la lentille convexe correspond à la partie où les cercles se superposent. Un autre point à noter à propos de ces cercles, c’est qu’ils possèdent tous les deux un centre. Voici le centre de l’un des cercles et le centre de l’autre est ici. Ce point est appelé le centre de courbure ; de toute évidence. Chacun de ces points est le centre d’une courbe qui est une section d’un cercle. Donc, ce point ici est le centre de courbure de ce cercle et ce point là est le centre de courbure de celui-ci.

Dans une lentille convexe, le centre de courbure est situé à égale distance de tout point de la surface la plus éloignée de la lentille. Cela signifie, par exemple, que cette distance ici est la même que cette distance-ci ou, disons, cette distance. Cette distance s’appelle le rayon de courbure. C’est juste le rayon du cercle imaginaire qui sert à définir la lentille convexe. Donc, si on nous demande : « Quel est le rayon de ce cercle ? » la réponse est le rayon de courbure.

Maintenant, observons de nouveau les deux centres de courbure. Si nous traçons une droite qui passe par ces deux points, nous voyons que cette droite passe aussi exactement par le centre de la lentille convexe. Cette droite est appelée l’axe optique ou l’axe principal. C’est un axe utile car il permet de comprendre comment les rayons lumineux vont interagir avec la lentille. N’oublions pas que toutes les lentilles ont pour effet de faire converger ou diverger la lumière. Cela signifie que si un rayon lumineux passe par une lentille, sa trajectoire ne sera pas rectiligne, ce rayon va être dévié de sa trajectoire initiale.

Une lentille convexe dévie la lumière d’une manière particulière. Prenons un autre rayon lumineux pour passer à travers la lentille, et comme le premier rayon, ce rayon est également parallèle à l’axe optique. De nouveau, la lentille convexe dévie ce rayon lumineux, mais remarquons que la déviation n’est pas aussi importante que pour ce rayon. Notons aussi que ces deux rayons se croisent en ce point. Gardons ce point en tête et faisons passer encore plus de rayons parallèles par cette lentille, nous pouvons alors observer qu’après avoir traversé la lentille, tous ces rayons se croisent au même point. Ce point où tous les rayons se croisent est appelé le foyer.

Regardons plus précisément les propriétés de cette lentille qui permettent l’existence du foyer. La lentille a dévié tous les rayons lumineux incidents pour qu’ils se rapprochent de plus en plus. Lorsque ce phénomène se produit, on dit que les rayons convergent. Une lentille convexe est aussi appelée une lentille convergente. Mais notons juste qu’après avoir convergé vers le foyer, les rayons se dispersent et s’éloignent les uns des autres. On dit que les rayons divergent. Mais le point important est qu’une lentille convexe fait converger des rayons lumineux incidents parallèles de sorte qu’ils se croisent en un point. Ce point est le foyer. La distance entre le centre de la lentille et ce foyer est appelée la distance focale de la lentille. Cette longueur est une des caractéristiques des lentilles convexes.

Par exemple, si nous avions un grand nombre de lentilles convexes, nous pourrions les classer selon leurs distances focales. Dans ce cas, nous avons dessiné des rayons lumineux arrivant sur la gauche de la lentille. Mais nous aurions tout aussi bien pu les dessiner de l’autre côté. C’est-à-dire que les rayons incidents parallèles auraient pu se présenter comme cela. La lentille convexe aurait toujours pour effet de dévier ces rayons. De même que précédemment, le point où ces rayons se croisent est appelé le foyer. Il existe donc un foyer de chaque côté d’une lentille convexe. Le foyer est aussi parfois appelé point focal. Si nous avons plus d’un point focal, il faut dire points focaux. Cette lentille a donc deux foyers ou deux points focaux. Notons que ces deux points, tout comme les centres de courbure, se trouvent sur l’axe optique ou principal. Maintenant que nous avons vu ces notions sur les lentilles convexes, regardons quelques exemples.

Laquelle des lentilles suivantes est une lentille convexe ?

Nous avons ici quatre lentilles différentes. Rappelons-nous qu’en général une lentille est un objet transparent, c’est-à-dire que la lumière peut passer à travers, et qu’une lentille a pour effet de dévier la lumière qui la traverse. Les quatre objets proposés correspondent à cette définition. Nous devons donc déterminer laquelle de ces lentilles est une lentille convexe, aussi appelé lentille convergente. La forme d’une lentille convexe est définie par la superposition de deux cercles. Prenons un cercle comme celui-ci, puis un autre cercle de la même taille, qui vient se superposer au premier. Cette forme ici correspond à la forme d’une lentille convexe. Nous voyons que la lentille est plus épaisse au centre et plus fine sur les bords. En regardant les lentilles proposées, la seule qui corresponde à cette forme est la lentille (C). C’est la seule lentille dont la forme correspond à la superposition de deux cercles identiques. Nous remarquons que cette lentille est également plus épaisse au centre et plus fine sur les bords. La lentille (C) est donc une lentille convexe.

Voyons maintenant un autre exemple.

La figure représente une lentille convexe. Les rayons lumineux traversent la lentille selon un axe vertical. Quelle droite représente l’axe optique de la lentille ?

Nous avons ici une lentille convexe. Toutes ces droites, un, deux, trois, quatre et cinq, représentent des rayons lumineux. On nous dit que ces rayons traversent la lentille selon un axe vertical. Cela signifie simplement que les rayons ne se déplacent pas de manière perpendiculaire à l’écran. Ils se déplacent dans le plan de l’écran. Nous voulons déterminer laquelle de ces cinq droites correspond à l’axe optique de la lentille. L’axe optique est aussi appelé l’axe principal. Rappelons-nous que l’axe optique d’une lentille passe exactement par le centre de la lentille. Cependant ici, cela ne nous aide pas beaucoup. Les cinq droites passent exactement par le centre de cette lentille convexe. Un autre point à propos de l’axe optique ou principal est qu’il passe à travers ce qu’on appelle les centres de courbure d’une lentille convexe.

Pour voir ce que cela signifie, considérons les deux surfaces de la lentille. Nous avons une surface ici et ici une deuxième surface. Chacune de ces surfaces est une section d’un cercle plus grand. Cette partie-ci, par exemple, fait partie d’un plus grand cercle rose et cette partie-là fait partie d’un plus grand cercle orange. Chacun de ces deux cercles possède un centre. Ce centre s’appelle le centre de courbure. L’axe optique passe par ces deux points. Néanmoins ici, nous ne voyons pas exactement où se trouvent ces deux centres de courbure. Les cercles à dessiner sont trop grands. Cependant, nous pouvons deviner que ces deux points se situent quelque part sur cette droite bleue. Étant donné que cette droite passera par le centre de chacun des cercles.

Si nous essayons de déterminer approximativement l’endroit où se trouvent les deux centres de courbure de ces cercles, le centre du cercle rose pourrait être situé ici. Le centre du cercle orange pourrait être ici. Comme nous l’avons déjà dit, la droite qui passe par ces deux points est l’axe optique ou l’axe principal. Cette droite correspond à la droite deux, et c’est donc la bonne réponse. L’axe optique ou principal d’une lentille passe par le centre de la lentille et également par les centres de courbure des deux cercles qui définissent les surfaces de la lentille. Sur cette figure la droite correspondant à cet axe est la droite deux.

Voyons maintenant un autre exemple.

La figure représente une lentille convexe comme l’intersection de deux cercles. Quels points de la figure correspondent aux centres de courbure de la lentille ? Choisissez tous les points possibles.

Sur cette figure, nous voyons une lentille convexe représentée en bleu. Elle est définie par la superposition ou l’intersection de deux cercles. Nous voulons identifier le ou les points sur cette figure qui correspondent aux centres de courbure de la lentille. Le point important à connaître à propos du centre de courbure, c’est qu’il s’agit du centre du cercle qui aide à définir la forme de la lentille convexe. Autrement dit, le centre de courbure sera le centre de ce cercle. Ainsi que l’autre centre de courbure de la lentille sera le centre de celui-ci. Nous voyons que le point un correspond au centre du premier cercle et que le point cinq correspond au centre du second cercle. Ce sont en effet les deux centres de courbure de la lentille.

Notons alors que le centre de courbure d’une lentille n’est pas situé au centre de la lentille. C’est-à-dire que le point trois n’est pas un centre de courbure. De même, les points haut et bas de la lentille ne sont pas non plus des centres de courbure. Il faut, au contraire, observer les deux cercles qui ont aidé à définir les surfaces de la lentille convexe. Les centres de courbure de la lentille sont les centres de ces cercles, qui correspondent ici aux points « un » et « cinq ».

Voyons maintenant un dernier exemple.

La figure représente une lentille convexe. Quel segment représente le rayon de courbure de la lentille ?

Sur notre figure, nous avons des segments un, deux et trois. Nous voulons déterminer quel segment correspond au rayon de courbure de la lentille convexe. Remarquons tout d’abord que la surface de la lentille fait partie d’un cercle plus grand, qui est représenté en pointillés orange. Ce cercle a un centre. À ce stade, c’est correct. Ce point est appelé le centre de courbure. Nous l’appelons ainsi car c’est le centre de la courbe qui est en fait une section du cercle.

Comme tout cercle, il a un rayon. Le rayon de courbure est la distance entre le centre de courbure et tout point du cercle. En regardant nos trois segments, nous voyons que le segment trois va du centre de courbure à la surface intérieure de la lentille. En revanche, le segment un va du centre de courbure au centre même de la lentille. Mais seul le segment deux va du centre de courbure, le centre de ce cercle orange, à un point situé sur le cercle en pointillé orange. C’est donc le segment deux qui représente le rayon de courbure de la lentille. C’est la bonne réponse.

Terminons maintenant cette leçon en résumant quelques points clés. Dans cette vidéo, nous avons appris qu’une lentille convexe ( aussi appelé lentille convergente) est un morceau de matériau transparent qui a cette forme. La forme d’une lentille convexe est définie par la superposition de deux cercles. Le centre de chaque cercle est appelé centre de courbure de la lentille. La droite passant par ces deux points est appelée l’axe optique ou l’axe principal.

Nous avons également appris qu’une lentille convexe fait se rapprocher, ou converger, des rayons lumineux incidents parallèles. Les rayons qui passent par la lentille se croisent en un point appelé le foyer. La distance entre le foyer et le centre de la lentille est appelée la distance focale. Enfin, nous avons appris que la distance entre le centre de courbure d’une lentille et la surface de cette lentille s’appelle le rayon de courbure. Ceci est un résumé du cours sur les lentilles convexes.

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