Formation d'image en optique

Pour former des images en optique on utilise des lentilles. Ce sont des objets circulaires légèrement sphériques en verre ou en plexiglass qui peuvent avoir des dimensions de quelques millimètres (pour les lentilles de contact) à plusieurs dizaines de centimètres (pour les lunettes astronomiques).

Il existe deux grandes familles de lentille : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes.

1. Les lentilles convergentes et divergentes.

• Les lentilles convergentes.

Elles ont des bords minces et un centre plus épais et sont donc généralement convexes. Si l'on regarde un texte à travers cette lentille il apparait plus gros. Bras tendu, un objet observé à travers cette lentille apparait à l'envers (nous verrons pourquoi par la suite).

Des rayons du soleil traversant une lentille convergente se concentrent tous (convergent) en un point situé sur un axe passant par le centre de la lentille et perpendiculaire à celle-ci (l'axe optique). Ce point particulier est appelé "le foyer" de la lentille et on le note F. Une lentille a deux foyers situés de part et d'autre de la lentille sur l'axe optique à une distance égale du centre de celle-ci.

• Les lentilles divergentes.

  Elles ont des bords épais et un centre mince et sont donc généralement concaves. Si l'on regarde un texte à travers cette lentille il apparait plus petit.

  Des rayons du soleil traversant une lentille divergentes se dispersent (divergent) tous après la lentille et l'on ne peut obtenir, comme avec la lentille convergente, une concentration des rayons en un point unique.

  

2. Caractéristiques des lentilles.

• La distance focale: La distance focale d'une lentille est la distance qui sépare le centre de la lentille de son foyer. Elle se note f = OF et a pour unité le mètre.

• Le grossissement d'une lentille : C'est le rapport entre la hauteur de l'image obtenue et la hauteur de l'objet.

3. Etude de la formation d'une image à l'aide d'une lentille convergente.

• Expérimentation.

  Matériels: un objet lumineux ou éclairé à l'aide d'une lampe de poche, une lentille convergente, un banc optique gradué pour déplacer facilement le matériel sur une même droite et réaliser les mesures, une lentille convergente et un écran blanc.

  Placer sur le banc l'objet éclairé puis à une distance plus grande que la distance focale la lentille. Déplacer ensuite l'écran situé après la lentille pour trouver la position de l'image de l'objet à travers la lentille.

• Représentation schématique de l'expérience.

  Pour simplifier la représentation d'un objet et d'une image on utilise un segment de droite noté respectivement (AB) pour l'objet et (A'B') pour l'image. Les points A et A' se trouvent sur l'axe optique, on trace un segment de droite dirigé vers le haut pour un objet positionné à l'endroit et un segment de droite vers le bas pour un objet positionné à l'envers.

• Propriétés observées pendant l'expérience.

• Tous les rayons partant du point B et traversant la lentille se rejoignent tous au point B', image du point B
• Tous les rayons qui partent de l'objet et qui passent par le centre de la lentille ne sont pas déviés et se sont les seuls.
• Tous les rayons qui arrivent perpendiculairement à la lentille passent obligatoirement par le foyer de la lentille.
• Le tracé des deux rayons précédent permet d'obtenir par un simple tracé la position de l'image d'un objet : l'intersection des deux rayons après la lentille donnant la position du point B' image du point B.
• Si on rapproche l'objet de la lentille (en restant à une distance supérieure à la distance focale) l'image est plus grande et plus éloignée (principe des appareils de projection).
• Si on éloigne l'objet de la lentille l'image est plus petite et se trouve plus proche de la lentille (principe des appareils photographiques).
• Si la distance objet - lentille est inférieure à la distance focale de la lentille on ne peut plus obtenir d'image sur un écran. Dans ce cas, image et objet se trouvent du même côté de la lentille et celle-ci est utilisée comme une loupe.
• Si l'on réduit la taille de la lentille on obtient une image identique mais moins lumineuse (c'est le principe des diaphragmes dans les appareils photographiques qui permettent ainsi de contrôler la luminosité entrant dans l'appareil).