Simulation d’optique dans FizziQ Web : lentilles, miroirs et trajets des rayons lumineux

← Retour à la documentation FizziQ Web

Cette simulation permet d’explorer les lois de l’optique géométrique à l’aide de lentilles et de miroirs. Elle modélise le trajet des rayons lumineux depuis une source vers une cible en passant par un élément optique.

Vous pouvez déplacer la source lumineuse, modifier la distance focale d’un système optique et observer la formation d’images réelles ou virtuelles. Les positions peuvent être enregistrées pour vérifier expérimentalement les relations de conjugaison.

Objectif de l’activité

Avec cette simulation, vous allez :

1. observer le trajet de rayons lumineux dans différents systèmes optiques ;

2. comparer le comportement des lentilles et des miroirs ;

3. identifier la position et la nature d’une image ;

4. mesurer des positions pour vérifier une relation optique ;

5. enregistrer des mesures dans le cahier d’expérience.

Ce que vous allez savoir faire

À la fin de ce document, vous saurez :

1. choisir un élément optique (lentille ou miroir) ;

2. régler la distance focale ou le rayon de courbure ;

3. déplacer la source lumineuse et la cible ;

4. positionner l’élément optique dans la zone de simulation ;

5. observer le trajet des rayons lumineux ;

6. enregistrer des mesures de position ;

7. capturer une image de la simulation ;

8. exploiter les mesures dans le cahier d’expérience.

   
   

Durée estimée : 15 à 25 minutes

Niveau conseillé : Collège – Lycée

Fonction utilisée : Simulation d’optique

Accéder à la simulation

Pour ouvrir la simulation :

1. ouvrez le menu Simulations ;

2. sélectionnez Optique.

Accès direct :

https://fizziqweb.web.app/optique

Comprendre l’interface

L’écran comporte une zone de simulation et un panneau de contrôle.

Zone de simulation

La zone de gauche affiche :

1. une grille graduée en centimètres ;

2. l’axe optique horizontal ;

3. l’élément optique choisi ;

4. la source lumineuse ;

5. la cible de mesure ;

6. les rayons lumineux ;

7. les boutons IMG et REC ;

8. les coordonnées de la cible.

Les objets peuvent être déplacés par glisser-déposer.

Panneau de contrôle

Le panneau de droite permet de :

1. choisir le type d’élément optique ;

2. régler la distance focale ou le rayon de courbure ;

3. réinitialiser la simulation.

Utiliser la simulation

Cette section décrit les principales actions à réaliser.

1. Choisir l’élément optique

Quatre éléments optiques sont disponibles :

• Lentille convergente : fait converger les rayons lumineux ;

• Lentille divergente : fait diverger les rayons lumineux ;

• Miroir plan : produit une image symétrique ;

• Miroir concave : fait converger les rayons réfléchis.

Chaque élément possède une couleur spécifique qui permet de l’identifier facilement.

2. Régler la distance focale

Selon l’élément choisi, un curseur permet d’ajuster la distance focale.

Pour les lentilles :

• distance focale réglable de 10 à 100 cm ;

• affichage sous la forme f’ = XX cm.

Pour le miroir concave :

• rayon de courbure réglable de 10 à 100 cm ;

• la focale vérifie :

f = R / 2

Le miroir plan ne possède pas de focale réglable.

3. Déplacer la source et la cible

Les éléments peuvent être déplacés à la souris.

Vous pouvez déplacer :

1. la source lumineuse ;

2. la cible de mesure ;

3. l’élément optique.

Positions initiales :

• élément optique : (0 ; 0) cm

• source : (-50 ; 10) cm

• cible : (70 ; 10) cm

Ces déplacements permettent de modifier la distance entre l’objet et le système optique.

4. Observer les rayons lumineux

Cinq rayons sont tracés depuis la source.

Code couleur :

• orange : rayons incidents ;

• vert continu : rayons réels ;

• vert pointillé : prolongements virtuels.

Selon la configuration, vous pouvez observer :

1. une image réelle ;

2. une image virtuelle ;

3. une image située à grande distance ;

4. une image symétrique.

5. Enregistrer une mesure

Le bouton REC permet d’ajouter une ligne dans un tableau.

Les données enregistrées peuvent inclure :

1. la distance focale ;

2. la position X de la source ;

3. la position Y de la source ;

4. la position X de la cible ;

5. la position Y de la cible.

Ces données peuvent être exploitées ensuite dans le cahier d’expérience.

6. Capturer une image

Le bouton IMG permet d’enregistrer une capture d’écran.

Cela permet :

1. d’illustrer un compte rendu ;

2. de conserver un schéma de rayons ;

3. de comparer plusieurs situations optiques.

Comprendre les résultats

Cette section permet d’interpréter ce que vous observez.

Lentille convergente

La lentille convergente produit différents types d’images selon la position de l’objet.

Cas principaux :

1. objet au-delà de 2F : image réelle réduite ;

2. objet entre F et 2F : image réelle agrandie ;

3. objet entre O et F : image virtuelle agrandie.

Relation utilisée :

1/OA' − 1/OA = 1/f'

Lentille divergente

La lentille divergente forme toujours :

1. une image virtuelle ;

2. une image droite ;

3. une image réduite.

Les rayons semblent provenir d’un point situé du côté de l’objet.

Miroir plan

Le miroir plan forme une image :

1. symétrique par rapport au miroir ;

2. virtuelle ;

3. de même taille que l’objet ;

4. située à la même distance derrière le miroir.

Relation utilisée :

OA' = −OA

Miroir concave

Le miroir concave produit différents types d’images selon la position de l’objet.

Cas principaux :

1. objet éloigné : image réelle proche du foyer ;

2. objet entre miroir et foyer : image virtuelle ;

3. image réelle : inversée ;

4. image virtuelle : droite.

Relation utilisée :

1/DO + 1/DI = 1/f

Exploiter les données dans le cahier d’expérience

Après plusieurs mesures, vous pouvez :

1. créer un tableau de données ;

2. calculer les distances objet-image ;

3. comparer les valeurs mesurées aux valeurs théoriques ;

4. tracer un graphique ;

5. produire un compte rendu illustré.

Cette continuité entre simulation et analyse correspond à l’usage standard du cahier d’expérience dans FizziQ Web.

Conseils pour les enseignants

Activités suggérées

Débutant

1. utiliser une lentille convergente ;

2. déplacer la source ;

3. observer les changements d’image.

Intermédiaire

1. comparer lentille convergente et divergente ;

2. garder la même focale ;

3. analyser les différences d’image.

Avancé

1. mesurer plusieurs positions ;

2. enregistrer les données ;

3. vérifier une relation de conjugaison.

Points clés à observer

1. une image réelle est formée par convergence réelle des rayons ;

2. une image virtuelle est obtenue par prolongement des rayons ;

3. la distance focale influence fortement la position de l’image ;

4. le miroir plan produit toujours une image symétrique.

Limites du modèle

Cette simulation utilise des simplifications adaptées à l’enseignement.

Principales limites :

1. les lentilles sont modélisées comme des lentilles minces ;

2. les aberrations optiques ne sont pas prises en compte ;

3. seuls cinq rayons sont tracés ;

4. le miroir concave est modélisé de manière idéale ;

5. l’échelle verticale est volontairement amplifiée.

Questions fréquentes

Pourquoi l’image est-elle parfois virtuelle ?

Une image est virtuelle lorsque les rayons ne se croisent pas réellement mais que leurs prolongements semblent se rencontrer.

Pourquoi l’image change-t-elle quand je déplace la source ?

Parce que la position de l’objet modifie la convergence ou la divergence des rayons lumineux.

Peut-on vérifier une formule avec cette simulation ?

Oui. Les positions peuvent être mesurées et enregistrées pour tester les relations optiques.

À quoi sert la cible rouge ?

Elle permet d’identifier précisément la position de l’image.

Voir aussi

• Simulation astronomie Terre-Lune

• Créer un tableau de données

• Tracer un graphique dans FizziQ Web

• Ajouter une colonne calculée

• Exporter un rapport depuis le cahier d’expérience