Le foyer

Lorsqu’il y a du soleil, on peut mettre le feu à un morceau de papier au moyen d’une lentille convergente ou d’un miroir concave.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
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Matériel
  • une lentille convergente, d’une distance focale d’environ 50 mm (par exemple une loupe)

  • un miroir concave, d’environ 10 cm de diamètre (par exemple un miroir de maquillage)

  • du papier noir ou un matériau facilement inflammable, par exemple des allumettes.

Montage et réalisation

Il est indispensable d’avoir du soleil pour pouvoir réaliser cette expérience.
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Placer le plan d’un miroir concave perpendiculairement aux rayons du soleil.

Placer un morceau de papier noir là où les rayons du soleil semblent se focaliser.

Le morceau de papier ne tarde pas à s’enflammer.

Comme les rayons incidents et le foyer se trouvent du même côté du miroir, il faut incliner légèrement le miroir pour que les rayons réfléchis et le foyer soient en dehors de la zone des rayons incidents.
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Tenir une lentille convergente perpendiculairement aux rayons du soleil.

Tenir un morceau de papier de l’autre côté de la lentille et faire varier sa distance à la lentille jusqu’à obtenir sur le papier une tache lumineuse la plus petite possible.

C’est dans cette position que le papier est situé dans le plan focal de la lentille car les rayons du soleil convergent au foyer.

Le papier s’enflamme alors rapidement.

Si l’on remplace le papier par d’autres matériaux inflammables, par exemple l’extrémité d’une allumette, ceux-ci finissent aussi par s’enflammer.

Explications

La lumière solaire n’est pas seulement constituée de radiations visibles mais aussi de rayonnement infrarouge.

Une lentille convergente ou un miroir concave font converger au foyer la lumière visible et les rayons infrarouges. Comme les indices de réfraction dépendent de la longueur d’onde, les foyers correspondant à la lumière visible et à l’infrarouge ne se superposent pas exactement dans le cas de la loupe. Ils sont cependant suffisamment proches pour qu’une bonne focalisation de la lumière visible corresponde également à une bonne focalisation de la lumière infrarouge.

Les matériaux inflammables cités ci-dessus absorbent la lumière visible et le rayonnement infrarouge lorsqu’ils sont placés sur le trajet des rayons lumineux. La densité d’énergie est tellement grande à l’emplacement du foyer que des matériaux inflammables peuvent y prendre feu.

Remarques

Le foyer doit son nom à la propriété illustrée par cette expérience : on peut mettre le feu à un objet qu’on place au foyer.

Des auteurs latins rapportent que lors du siège de Syracuse (214 à 212 av. J.C.) Archi­mède aurait fait incendier les vaisseaux romains par des soldats utilisant de nombreux boucliers comme miroirs. Récemment, on pensait encore que, compte tenu de l’avan­ce­ment des techniques dans l’Antiquité, il ne s’agissait que d’une légende. Mehler rapportait en 1979 qu’en 1973, dans la base navale grecque de Skaramanga, on a réussi à incendier la reconstitution d’une trirème au moyen de 60 boucliers de bronze rayés analogues à ceux qui ont pu être utilisés par les défenseurs de Syracuse.

Walker cite l’expérience suivante: « Des soldats tenaient 70 miroirs plans de 1,5 m ´ 1 m chacun avec lesquels ils renvoyaient la lumière du soleil en la concentrant sur une barque qui se trouvait à environ 50 m du rivage. Dès que les soldats eurent bien orienté leurs miroirs, le bateau prit feu et sombra dans une mer de flammes. »

Références

Université en Ligne:miroir sphérique ;lentilles épaisses ; lentilles minces

Cas d’un miroir parabolique:

Font_Romeu_France
Four solaire d’Odeillo

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