B - Localisation de l`image

Nath résumé - Montage de physique n°3 :
Formation optique d'une image
Niveau concerné : 1ère S
Sources
 manuel Nathan série Sirius 1ère S (Avril 2005)
 document accompagnement 1ère S
Introduction
Lorsque nous utilisons une loupe pour visualiser les détails d’un dessin, lorsque nous regardons un oiseau
avec de jumelles, nous visualisons une image de l’objet réel, à travers ce qu’on appelle un instrument
d’optique. Comment se forme cette image ? peut-on prévoir les caractéristiques et la position de cette
image ? C’est ce que nous allons traiter dans cet exposé. Dans un premier temps, nous allons revenir sur les
conditions de visibilité d’un objet et les caractéristiques de la propagation de la lumière (déjà vu au collège
et en 2nde). Puis nous étudierons l’image formée par un miroir plan et les lois de la réflexion de Descartes.
Nous terminerons par l’étude de l’image formée par une lentille convergente (déjà étudié au collège) et
l’application à la lunette astronomique dont l’étude détaillée sera poursuivie en spé TS.
I - Trajet de la lumière et la vision (activités préliminaires et rappels)
A - Conditions de visibilité des objets
Expérience avec le laser. On rappelle les conditions de visibilité des objets. Expérience avec le laser. Un
objet ne peut être vu que si de la lumière provenant de cet objet arrive dans l’oeil de l’observateur. L’objet
peut :
 produire de la lumière qu’il envoie (objet lumineux ou source de lumière) – SURTOUT ne pas tenter
cette expérience avec le faisceau laser car c'est dangereux pour l'œil
 diffuser la lumière qu’il reçoit (objet éclairé) – cas de la partie du mur intercepté pas le faisceau dans
l'activité précédente
B - Les caractéristiques de la propagation de la lumière
Dans un milieu homogène (caractéristiques identiques en tout point du milieu) :
 la lumière se propage en ligne droite
 le rayon lumineux est représenté par une demi-droite dans le sens de la propagation
 un objet lumineux est modélisé comme une juxtaposition de points objets. Chaque point est la source d'un
ensemble de rayons
C - L’image, une interprétation du cerveau
conclusion
lors de la vision d’une image à
travers un système optique, la
lumière issue de l’objet pénètre
dans l’œil après un parcours non
rectiligne.
Le
cerveau,
conditionné à la propagation
rectiligne, l’interprète comme
venant en ligne droite.
II - Le miroir plan
A - Diffusion et réflexion
Conclusion
Lorsqu'une surface renvoie la lumière qu'elle reçoit dans toutes les directions, on dit qu'elle diffuse la
lumière (cas 1).
Lorsqu'une surface reçoit la lumière qu'elle reçoit dans une direction particulière, on dit qu'elle réfléchit la
lumière (cas 2). S'il est possible de tracer les directions des rayons lumineux incidents et réfléchis et celle de
la surface du miroir plan, on se rend compte que les angles d'incidence et de réflexion sont égaux (en valeur
absolue).
En optique, une surface réfléchissante est appelée miroir. Si cette surface est plane, on l'appelle miroir plan.
loi de la réflexion de Descartes : i=r
B - Localisation de l’image
Conclusion
Tout se passe comme si la lumière provenait directement du point
A', symétrique du point A par rapport au plan du miroir. Le point A'
qui n'a aucune existence matérielle, constitue une illusion d'optique :
notre cerveau, conditionné à la propagation rectiligne, réagit comme
s'il y avait un point objet en A'. Ce point A' est appelé point image
conjugué de A.
C - Chemin effectivement suivi par la lumière
Par construction (application de la loi de la réflexion). Il est possible de prévoir la position de l’image.
III - Lentille convergente
A - Image d'un objet donné par une loupe (lentille convergente)
Conclusion
Suivant la distance entre l'objet et la lentille, l'observateur voit une image droite ou
renversée.
B - Localisation de l’image
Avec un réticule. Cf accompagnement 1ère S p. 109
Uniquement dans le cas d’une image renversée, déterminer la formule de conjugaison : 1/p + 1/p’ = C
C - caractéristiques d’une lentille convergente
Mise en évidence de rayons particulier (tableau magnétique). Il est donc possible de prévoir la position de
l’image (par construction de ces rayons)
IV - Application : modélisation d'un instrument optique (le lunette astronomique)
Le principe simplifié de la lunette est donné de la manière suivante : "Une première lentille convergente
donne d'un objet lointain observé une image (petite et renversée) situé au voisinage du foyer. Cette image est
observée à travers une seconde lentille servant de loupe. L’image finale est donc agrandie.
Le ciel de nuit est parsemé d'objets très éloignés et peu lumineux. Pour mieux les observer, il faut en former
une image plus lumineuse et de diamètre apparent plus grand. Ceci implique que l'appareil utilisé doit
grossir l'image comme la Lune ou les planètes, mais aussi capter un maximum de lumière pour des objets
comme les étoiles invisibles à l'oeil nu.
 On n’utilise pas de banc optique en 1ère S. On construit une lunette avec 2
lentilles convergentes et un rouleau de carton. On observe un arbre ou un
immeuble.
Observation-conclusion
α' f '
L’image de l’objet est agrandie. Grossissement : G =  1
α f 2'
Conclusion
Par cette progression, les élèves ont retrouvé la position de l’image d’un objet par un miroir plan ou une
lentille convergente. Ils ont également appréhendé les outils qui permettent de prévoir la position d’une
image. Par l’approche d’un instrument d’optique simple, ils voient une application concrète des dispositifs
optiques de base et de leur association. En spé TS, une étude plus approfondie des différents éléments sera
effectuée.