Physique-Chimie — Terminale

Optique géométrique — Terminale Physique-Chimie

Cours complet d'optique géométrique en Terminale : lentilles convergentes et divergentes, vergence, foyers, construction d'images par les 3 rayons…

Par ProfBot

Optique géométrique — Terminale Physique-Chimie

Introduction

L'optique géométrique modélise la propagation de la lumière par des rayons lumineux en droite ligne dans un milieu homogène. Elle permet de comprendre le fonctionnement de la plupart des instruments d'optique : lunettes correctrices, loupe, microscope, appareil photo, télescope.

Hypothèses du modèle :


1. Les lentilles minces

Définition

Une lentille mince est un objet transparent délimité par deux surfaces sphériques (ou une sphérique et une plane) dont l'épaisseur est négligeable.

Lentille convergente (convexe)

Exemples : loupe, objectif photo, cristallin de l'œil, verre correcteur pour hypermétrope

Lentille divergente (concave)

Exemples : verre correcteur pour myope, œilleton de lunettes de protection


2. Éléments caractéristiques d'une lentille

Centre optique O

Point de la lentille par lequel tout rayon passe sans déviation (mais avec décalage latéral nul pour une lentille mince).

Axe optique

Droite passant par O, perpendiculaire au plan de la lentille.

Foyers principaux

Foyer image F' : Tout rayon incident parallèle à l'axe optique passe, après refraction, par F'.

Foyer objet F : Tout rayon incident passant par F ressort parallèle à l'axe optique.

Propriété symétrique : F et F' sont symétriques par rapport à O (pour une lentille mince dans le même milieu). $OF = -OF' = -f'$


3. Vergence et distance focale

Distance focale image f'

La distance focale image f' est la distance algébrique entre O et F' : $f' = \overline{OF'}$

Vergence V

La vergence (ou puissance) d'une lentille est l'inverse de la distance focale exprimée en mètres :

$\boxed{V = \frac{1}{f'}}$

Unité : la dioptrie (δ), symbole δ — 1 δ = 1 m⁻¹

Type de lentillef'VExemple
Convergente> 0> 0+4 δ → f' = 25 cm
Divergente< 0< 0−2 δ → f' = −50 cm

Exemple : Une lentille de vergence +6 δ a une distance focale f' = 1/6 ≈ 16,7 cm


4. Construction d'images — Les 3 rayons remarquables

Pour construire l'image A'B' d'un objet AB, on utilise 3 rayons issus du point B (extrémité hors axe) :

Rayon 1 — Parallèle à l'axe optique

Un rayon incident parallèle à l'axe optique repart après refraction en passant par F' (lentille convergente) ou en provenant de F' (lentille divergente).

Rayon 2 — Passant par le centre optique O

Un rayon passant par O n'est pas dévié. Il passe en ligne droite.

Rayon 3 — Passant par le foyer objet F

Un rayon incident passant par F (lentille convergente) ou dirigé vers F (lentille divergente) repart parallèle à l'axe optique.

🖊️ Méthode : On trace 2 des 3 rayons. Leur intersection après la lentille donne B'. On abaisse une perpendiculaire sur l'axe pour obtenir A'.

Cas d'une lentille convergente

Objet réel à gauche de la lentille :

Position de l'objetPosition de l'imageNature de l'imageSens
À l'infiniEn F'Réelle—
Au-delà de 2F (p > 2f')Entre F' et 2F'RéelleRenversée
En 2FEn 2F'RéelleRenversée, même taille
Entre F et 2FAu-delà de 2F'RéelleRenversée, agrandie
En FÀ l'infini——
Entre O et FDu côté objetVirtuelleDroite, agrandie

💡 Lorsque l'objet est entre O et F, l'image est virtuelle, droite et agrandie — c'est le principe de la loupe.


5. Formule de conjugaison

Convention algébrique

On oriente l'axe optique dans le sens de propagation de la lumière (gauche → droite).

Les distances algébriques sont comptées depuis O :

Formule de conjugaison (relation de Descartes)

$\boxed{\frac{1}{\overline{OA'}} - \frac{1}{\overline{OA}} = \frac{1}{f'} = V}$

Remarque : On peut aussi écrire : $\overline{OA'}\overline{OA} = f' \cdot \overline{OA'} - f' \cdot \overline{OA}$, mais la forme ci-dessus est à préférer.

Utilisation pratique

Données connues → inconnue à trouver :

Exemple 1 : Objet réel à 30 cm d'une lentille convergente de distance focale f' = 20 cm. $\overline{OA} = -30 \text{ cm}, \quad f' = +20 \text{ cm}$ $\frac{1}{\overline{OA'}} = \frac{1}{f'} + \frac{1}{\overline{OA}} = \frac{1}{20} + \frac{1}{-30} = \frac{3-2}{60} = \frac{1}{60}$ $\overline{OA'} = +60 \text{ cm}$ → Image réelle (OA' > 0) à 60 cm de la lentille, du côté image.

Exemple 2 : Lentille divergente de vergence −5 δ. Objet à 40 cm. $f' = -20 \text{ cm}, \quad \overline{OA} = -40 \text{ cm}$ $\frac{1}{\overline{OA'}} = \frac{1}{-20} + \frac{1}{-40} = -\frac{2}{40} - \frac{1}{40} = -\frac{3}{40}$ $\overline{OA'} \approx -13{,}3 \text{ cm}$ → Image virtuelle (OA' < 0) du côté objet.


6. Grandissement transversal

Définition

Le grandissement transversal γ (gamma) caractérise la taille et l'orientation de l'image par rapport à l'objet :

$\boxed{\gamma = \frac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \frac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}}$

Interprétation :

Exemple (suite de l'exemple 1) : $\gamma = \frac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} = \frac{+60}{-30} = -2$ → Image renversée, 2 fois plus grande que l'objet.


7. Applications instrumentales

L'œil humain

L'œil est assimilable à un système optique convergent :

Punctum remotum (PR) : point le plus éloigné vu nettement (sans accommodation)

Punctum proximum (PP) : point le plus proche vu nettement (accommodation maximale)

Défauts de l'œil :

DéfautCauseCorrection
MyopieŒil trop long ou cristallin trop convergentLentille divergente (vergence < 0)
HypermétropieŒil trop court ou cristallin insuffisantLentille convergente (vergence > 0)
PresbytiePerte d'accommodation (âge)Verres progressifs
AstigmatismeCourbure irrégulièreVerres toriques

La loupe

La loupe est une lentille convergente utilisée pour regarder un objet placé entre O et F.

Grossissement commercial G : $G = \frac{D}{f'} = D \cdot V \quad \text{(D = 25 cm = distance minimale de vision)}$

Exemple : Loupe de f' = 5 cm → G = 25/5 = ×5

Le microscope

Association de deux lentilles convergentes :

Grossissement total : $G_{tot} = G_{obj} \times G_{oc} = \frac{\Delta}{f_1'} \times \frac{D}{f_2'}$

Δ = longueur optique (distance entre F₁' et F₂, comprise entre 10 et 20 cm environ)

La lunette astronomique (afocale)

Association de deux lentilles convergentes :

Condition afocale : F₁' = F₂, donc distance entre lentilles = f₁' + f₂'

Grossissement commercial : $G = \frac{f_1'}{f_2'}$

Exemple : Objectif de f₁' = 900 mm, oculaire de f₂' = 25 mm → G = 900/25 = ×36


8. Exercices résolus

Exercice 1 — Construction et formule de conjugaison

Une lentille convergente a une vergence de +4 δ. Un objet AB (AB = 2 cm) est placé à 40 cm de la lentille.

1) Calculer f', puis OA'.

f' = 1/V = 1/4 = 0,25 m = 25 cm

OA = −40 cm (objet à gauche)

$\frac{1}{\overline{OA'}} = \frac{1}{f'} + \frac{1}{\overline{OA}} = \frac{1}{25} + \frac{1}{-40} = \frac{8}{200} - \frac{5}{200} = \frac{3}{200}$

$\overline{OA'} = \frac{200}{3} \approx 66{,}7 \text{ cm}$

2) Calculer γ et A'B'.

$\gamma = \frac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} = \frac{200/3}{-40} = \frac{200}{3 \times (-40)} = -\frac{5}{3} \approx -1{,}67$

$\overline{A'B'} = \gamma \times \overline{AB} = -1{,}67 \times 2 = -3{,}33 \text{ cm}$

→ Image réelle, renversée, 1,67× agrandie, de taille 3,33 cm.


Exercice 2 — Lentille divergente

Une lentille divergente de distance focale f' = −30 cm. Objet réel à 20 cm.

$\overline{OA} = -20 \text{ cm}$

$\frac{1}{\overline{OA'}} = \frac{1}{-30} + \frac{1}{-20} = -\frac{1}{30} - \frac{1}{20} = -\frac{2}{60} - \frac{3}{60} = -\frac{5}{60} = -\frac{1}{12}$

$\overline{OA'} = -12 \text{ cm}$

$\gamma = \frac{-12}{-20} = +0{,}6$

→ Image virtuelle (OA' < 0), droite (γ > 0), réduite (|γ| < 1).


Exercice 3 — Loupe

On observe un objet avec une loupe de vergence +20 δ. On souhaite voir l'image à l'infini.

1) Où placer l'objet ?

Pour une image à l'infini, l'objet doit être au foyer objet F.

f' = 1/20 = 5 cm → placer l'objet à 5 cm de la loupe.

2) Quel est le grossissement commercial ?

G = D/f' = 25/5 = ×5

→ Les détails apparaissent 5 fois plus grands.


Exercice 4 — Lunette astronomique

Une lunette afocale : objectif f₁' = 600 mm, oculaire f₂' = 20 mm.

1) Distance entre les lentilles :

d = f₁' + f₂' = 600 + 20 = 620 mm

2) Grossissement :

G = f₁'/f₂' = 600/20 = ×30


9. Points-clés et formules à retenir

FormuleDescription
$V = \dfrac{1}{f'}$Vergence en dioptries
$\dfrac{1}{\overline{OA'}} - \dfrac{1}{\overline{OA}} = \dfrac{1}{f'}$Formule de conjugaison
$\gamma = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} = \dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}}$Grandissement transversal
$G_{loupe} = \dfrac{D}{f'} = D \cdot V$Grossissement loupe (D = 25 cm)
$G_{lunette} = \dfrac{f_1'}{f_2'}$Grossissement lunette afocale
$d_{lunette} = f_1' + f_2'$Longueur d'une lunette afocale

10. Méthode — Résoudre un problème d'optique géométrique

  1. Identifier le type de lentille (convergente ou divergente) et noter f' (avec signe !)
  2. Positionner l'objet : noter OA (négatif si objet à gauche de O)
  3. Appliquer la formule de conjugaison : 1/OA' = 1/f' + 1/OA
  4. Calculer γ = OA'/OA
  5. Déduire la nature (réelle/virtuelle), le sens (droit/renversé) et la taille de l'image
  6. Si demandé : construire l'image avec 2 rayons remarquables

Résumé visuel des conventions de signe


Objet réel   Source          Lentille          Écran/œil
   AB        lumière →          O                 →

  OA < 0                                       OA' > 0  (image réelle)
  OA < 0                                       OA' < 0  (image virtuelle, côté objet)

Lentille convergente : f' > 0, V > 0 → fait converger les rayons Lentille divergente : f' < 0, V < 0 → fait diverger les rayons Image réelle : OA' > 0, se forme du côté image, observable sur écran Image virtuelle : OA' < 0, côté objet, non projetable sur écran mais visible à l'œil


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