γ = A'B' / AB f' = OF'
Seconde · Ondes et signaux · Chapitre 13

Lentilles minces et formation des images

Une loupe grossit, un appareil photo fixe une image sur son capteur, et ton œil forme à chaque instant une image nette sur la rétine. Tous utilisent le même objet : une lentille convergente. Comment forme-t-elle une image, et où se trouve celle-ci ?

Foyers et distance focaleRayons particuliersConstruction d'imageGrandissementŒil réduit
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◎Objectifs et prérequis

À la fin du chapitre, je sais…

  • reconnaître une lentille convergente et placer son centre optique et ses foyers ;
  • tracer les trois rayons particuliers ;
  • construire l'image d'un objet plan et dire si elle est réelle ou virtuelle, droite ou renversée ;
  • calculer un grandissement \(\gamma\) ;
  • décrire l'œil avec le modèle de l'œil réduit et expliquer l'accommodation.

Ce que je dois déjà savoir

  • (chapitre 11) propagation rectiligne de la lumière, réfraction ;
  • (maths) théorème de Thalès, droites et intersections ;
  • (collège) un objet est vu si de la lumière issue de lui entre dans l'œil.

?Point de départ : l'image sur le mur

L'expérience

Dans une pièce sombre, tiens une loupe entre une fenêtre éclairée et un mur blanc. En avançant ou reculant la loupe, tu obtiens sur le mur une image nette du paysage… à l'envers et plus petite.

Les questions

Pourquoi l'image n'est-elle nette qu'à une distance précise ? Pourquoi est-elle renversée ? Et pourquoi la même loupe, tenue près d'un texte, le montre-t-elle à l'endroit et agrandi ?

1La lentille mince convergente

Définitions
  • Une lentille convergente est une lentille à bords minces (plus épaisse au centre) : elle fait converger un faisceau de lumière parallèle. On la représente par un trait vertical terminé par deux flèches vers l'extérieur.
  • Son centre optique \(O\) est son centre ; son axe optique est la droite perpendiculaire à la lentille passant par \(O\).
  • Un faisceau parallèle à l'axe optique converge, après la lentille, en un point de l'axe : le foyer image \(F'\). Le foyer objet \(F\) est son symétrique par rapport à \(O\).
  • La distance focale est \(f' = OF'\), en mètres. Plus elle est petite, plus la lentille est convergente.
Mesurer rapidement une distance focale

On forme sur un écran l'image d'un objet très éloigné (un paysage, le Soleil) : les rayons qui en viennent sont presque parallèles, ils convergent au foyer image. La distance lentille-écran est alors égale à \(f'\).

Pour aller plus loin : la vergence \(C = \dfrac{1}{f'}\), en dioptries (δ), est indiquée sur les lentilles et les verres de lunettes. Une lentille de \(f' = 0{,}10\ \text{m}\) a une vergence de \(+10\ \delta\).

2Les trois rayons particuliers

À connaître par cœur
Un rayon qui passe par le centre optique \(O\) n'est pas dévié.
Un rayon parallèle à l'axe optique ressort en passant par le foyer image \(F'\).
Un rayon qui passe par le foyer objet \(F\) ressort parallèle à l'axe optique.

3Construire l'image d'un objet

On considère un objet plan \(AB\), perpendiculaire à l'axe optique, avec \(A\) sur l'axe. Tous les rayons issus de \(B\) qui traversent la lentille passent ensuite par un même point \(B'\) : l'image de \(B\).

Construction
Tracer deux des trois rayons particuliers issus de \(B\) (le plus souvent : celui qui passe par \(O\), et celui parallèle à l'axe).
Leur intersection, après la lentille, est \(B'\).
\(A'\) est sur l'axe optique, à la verticale de \(B'\) : l'image \(A'B'\) est perpendiculaire à l'axe.
Objet au-delà du foyer objet

Les rayons émergents se coupent réellement : l'image est réelle, on peut la recueillir sur un écran. Elle est renversée. C'est le cas de l'appareil photo, du projecteur, de l'œil.

Objet entre le foyer et la lentille

Les rayons émergents divergent : ce sont leurs prolongements (en pointillés) qui se coupent, du même côté que l'objet. L'image est virtuelle, droite et agrandie : on la voit à travers la lentille, mais pas sur un écran. C'est la loupe.

Simulation — Construire l'image

Déplace l'objet et change la distance focale. Les trois rayons particuliers issus de \(B\) se coupent en \(B'\).

\(\overline{OA'}\) = —\(\gamma\) = —Image : —

Objet AB = 2 cm (échelle verticale agrandie). Pointillés : prolongements des rayons (image virtuelle). La position de l'image est calculée avec la relation de conjugaison, étudiée en Première.

4Le grandissement

On oriente l'axe optique dans le sens de la lumière, et l'axe vertical vers le haut. Les longueurs sont alors algébriques (notées avec une barre) : positives ou négatives selon leur sens.

Grandissement
\(\gamma = \dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}\)
\(\gamma\)
grandissement, sans unité
\(\overline{A'B'}, \overline{AB}\)
tailles algébriques de l'image et de l'objet
\(\overline{OA'}, \overline{OA}\)
positions algébriques de l'image et de l'objet par rapport à \(O\)

La seconde égalité vient du théorème de Thalès appliqué aux triangles \(OAB\) et \(OA'B'\) (le rayon \(BB'\) passe par \(O\)).

Lire le grandissement
  • \(\gamma < 0\) : image renversée ; \(\gamma > 0\) : image droite.
  • \(|\gamma| > 1\) : image agrandie ; \(|\gamma| < 1\) : image réduite.

5Le modèle de l'œil réduit

Œil réelModèleRôle
iris (pupille)diaphragmerègle la quantité de lumière qui entre
cornée + cristallinlentille convergenteforme l'image
rétineécranreçoit l'image, transmise au cerveau
L'accommodation

Dans l'œil, la distance entre la lentille et la rétine est fixe (environ 17 mm). Pour que l'image d'un objet proche reste nette sur la rétine, le cristallin se bombe : sa distance focale diminue. C'est l'accommodation. Elle a une limite : en deçà d'environ 25 cm (pour un œil jeune), l'objet ne peut plus être vu net. Avec l'âge, le cristallin perd sa souplesse : c'est la presbytie.

Simulation — L'œil accommode

Rapproche l'objet : le cristallin se bombe pour garder l'image sur la rétine… jusqu'à une certaine limite.

Distance focale nécessaire : —Vision : —

Modèle : distance lentille-rétine 17 mm ; distance focale minimale du cristallin d'un œil jeune ≈ 15,9 mm (vision nette jusqu'à 25 cm environ). Curseur logarithmique de 10 cm à 20 m.

✎Méthode : construire une image à l'échelle

Méthode en 5 étapes
Choisir une échelle et tracer l'axe optique, la lentille, \(O\), \(F\) et \(F'\).
Placer l'objet \(AB\) (\(A\) sur l'axe, \(B\) au-dessus).
Tracer deux rayons particuliers issus de \(B\) ; leur intersection donne \(B'\), puis \(A'\).
Mesurer \(\overline{OA'}\) et \(\overline{A'B'}\), et les convertir avec l'échelle.
Calculer \(\gamma\) des deux façons et conclure : réelle/virtuelle, droite/renversée, agrandie/réduite.
Exemple entièrement corrigé

Énoncé. Un objet \(AB\) de 2,0 cm est placé à 30 cm devant une lentille de distance focale \(f' = 10\ \text{cm}\) (\(\overline{OA} = -30\ \text{cm}\)). Construire l'image et la caractériser.

Échelle : 1 cm sur le papier pour 5 cm horizontalement ; 1 cm pour 1 cm verticalement.
Construction : le rayon passant par \(O\) et le rayon parallèle à l'axe (qui ressort par \(F'\)) se coupent à 3,0 cm à droite de la lentille sur le papier, 1,0 cm sous l'axe.
Lecture : \(\overline{OA'} = 3{,}0 \times 5 = +15\ \text{cm}\) ; \(\overline{A'B'} = -1{,}0\ \text{cm}\).
Grandissement : \(\gamma = \dfrac{-1{,}0}{2{,}0} = -0{,}50\) ; vérification : \(\dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} = \dfrac{15}{-30} = -0{,}50\).
Conclusion : image réelle (de l'autre côté de la lentille, sur un écran à 15 cm), renversée (\(\gamma < 0\)) et deux fois plus petite (\(|\gamma| = 0{,}5\)).

!Erreurs fréquentes

1. Inverser F et F'

Le foyer image \(F'\) est après la lentille (du côté où va la lumière) ; le foyer objet \(F\) est avant.

2. Faire passer par F' un rayon quelconque

Seuls les rayons parallèles à l'axe passent par \(F'\) après la lentille.

3. Oublier le signe

\(\overline{OA}\) est négatif pour un objet placé avant la lentille ; une image renversée a un \(\overline{A'B'}\) négatif et un grandissement négatif.

4. Chercher une image virtuelle sur un écran

Une image virtuelle n'existe que pour l'œil qui regarde à travers la lentille : aucun écran ne peut la recueillir.

5. Croire que l'œil recule sa rétine

La distance cristallin-rétine est fixe : c'est la distance focale du cristallin qui change pour accommoder.

★L'essentiel

Lentille convergente

Centre \(O\), foyers \(F\) et \(F'\) symétriques, distance focale \(f' = OF'\).

Rayons particuliers

Par \(O\) : non dévié. Parallèle à l'axe : ressort par \(F'\). Par \(F\) : ressort parallèle à l'axe.

Image

Objet au-delà de \(F\) : image réelle, renversée. Objet entre \(F\) et \(O\) : image virtuelle, droite, agrandie (loupe).

\(\gamma = \dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}\)

Œil réduit

Diaphragme (iris), lentille (cristallin), écran (rétine). Accommodation : la distance focale du cristallin diminue pour voir de près.

✓Quiz : vérifie que tu as compris

1. Un rayon parallèle à l'axe optique ressort d'une lentille convergente :

Rayon parallèle à l'axe → passe par F'.

2. Une image se forme sur un écran. Elle est :

Seule une image réelle peut être recueillie sur un écran.

3. \(\gamma = -2\) signifie que l'image est :

Signe négatif : renversée ; \(|\gamma| = 2\) : agrandie deux fois.

4. Pour utiliser une lentille comme loupe, on place l'objet :

L'image est alors virtuelle, droite et agrandie.

5. Dans le modèle de l'œil réduit, la rétine est représentée par :

La rétine reçoit l'image, comme un écran.

6. Quand on regarde un objet de plus en plus proche, la distance focale du cristallin :

Le cristallin se bombe et devient plus convergent : c'est l'accommodation.

→S'entraîner et expérimenter

Parcours conseillé

Parties 1 à 3 du cours → exercices 1 à 5 → parties 4 et 5 → exercices 6 à 8 → TP → exercices 9 et 10 → quiz.