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MP2I · Physique-chimie · semaine 1

Formation des images

Sources lumineuses et modèle de l'optique géométrique : rayon lumineux, indice, lois de Snell-Descartes, fibre optique à saut d'indice. Miroir plan, lentilles minces, stigmatisme approché, puis l'œil, la lunette astronomique et l'appareil photographique.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. L'optique géométrique décrit la lumière par des rayons. Elle vaut si les ouvertures sont grandes devant λ\lambda, sinon la diffraction apparaît.
  2. Snell-Descartes : n1sin⁡i1=n2sin⁡i2n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2. Réflexion totale si n1>n2n_1 > n_2 et sin⁡i1>n2/n1\sin i_1 > n_2/n_1. Fibre : sin⁡θ<n12−n22\sin\theta < \sqrt{n_1^2 - n_2^2}.
  3. Le miroir plan est rigoureusement stigmatique. Les lentilles le sont approximativement dans les conditions de Gauss.
  4. Lentille mince, distances algébriques : 1OA′‾−1OA‾=1f′\dfrac{1}{\overline{OA'}} - \dfrac{1}{\overline{OA}} = \dfrac{1}{f'}, γ=OA′‾OA‾\gamma = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}, FA‾×F′A′‾=−f′2\overline{FA}\times\overline{F'A'} = -f'^2. Une image réelle d'un objet réel sur un écran exige D⩾4f′D \geqslant 4f'.
  5. L'œil, lentille de vergence variable devant une rétine fixe, voit net de 25 cm25 \unite{cm} à l'infini et résout environ 1′1'. La lunette afocale a pour grossissement G=−f1′/f2′G = -f'_1/f'_2.
Pourquoi ce chapitre

Premier chapitre de physique de l'année, il ouvre le thème « ondes et signaux » et installe une démarche durable : choisir un modèle, connaître ses limites, l'exploiter. Le rayon lumineux est un modèle simple, mais il cesse de valoir quand la diffraction apparaît. Ce sera le point de départ des chapitres sur les ondes et les interférences. Les lentilles reviennent sans cesse en travaux pratiques.

Aux concours, on attend :

  • des constructions propres ;
  • des formules de conjugaison sans erreur de signe ;
  • des raisonnements courts sur la fibre optique, l'œil ou la lunette.

1Sources lumineuses

1.1Spectre d'une source

La lumière est une onde électromagnétique.

Définition 1.1Radiation monochromatique

Une radiation monochromatique est caractérisée par sa fréquence ν\nu ou sa longueur d'onde dans le vide λ0=cν,\lambda_0 = \frac{c}{\nu}, avec c≈3,00×108 m.s−1c \approx 3{,}00 \times 10^{8} \unite{m.s^{-1}}.

Définition 1.2Spectre

Le spectre d'une source donne la puissance émise selon la longueur d'onde.

Exemples de spectres :

  • spectre continu : corps chaud (Soleil) ;
  • spectre de raies : gaz excité (sodium, 589 nm589 \unite{nm}) ;
  • laser quasi monochromatique (hélium-néon, 632,8 nm632{,}8 \unite{nm}).

1.2Longueur d'onde et couleur

Le visible s'étend environ de 400 nm400 \unite{nm} (violet) à 800 nm800 \unite{nm} (rouge), en passant par le bleu, le vert et le jaune. En dessous, c'est l'ultraviolet, au-dessus, l'infrarouge.

1.3Modèle de la source ponctuelle monochromatique

Définition 1.3Source ponctuelle monochromatique

Idéalisation : un point émettant une seule longueur d'onde. Le modèle est pertinent si la source est petite devant les distances en jeu et de faible largeur spectrale.

2Modèle de l'optique géométrique

2.1Rayon lumineux et indice

Dans un milieu transparent, homogène et isotrope, la lumière se propage en ligne droite le long de rayons lumineux, indépendants et réversibles.

Définition 2.1Indice d'un milieu

L'indice d'un milieu transparent est n=cv⩾1,n = \frac{c}{v} \geqslant 1, où vv est la vitesse de la lumière dans ce milieu.

Ordres de grandeur :

  • air : n≈1,000 3n \approx 1{,}000\,3 (on prend 1) ;
  • eau : n≈1,33n \approx 1{,}33 ;
  • verre : n≈1,5n \approx 1{,}5.

Dans le milieu, λ=λ0/n\lambda = \lambda_0/n et la fréquence ne change pas. L'indice dépend de λ\lambda : c'est la dispersion.

2.2Limites du modèle

Le modèle vaut quand obstacles et ouvertures sont grands devant la longueur d'onde. Un trou réduit à quelques λ\lambda élargit le faisceau au lieu de l'affiner : c'est la diffraction. Le modèle ignore aussi les interférences.

2.3Lois de Snell-Descartes

Sur un dioptre entre milieux d'indices n1n_1 et n2n_2, les angles i1i_1 et i2i_2 sont mesurés depuis la normale, non orientés, entre 00 et 90∘90^\circ.

Loi 2.2Lois de Snell-Descartes

  • Les rayons réfléchi et réfracté sont dans le plan d'incidence (rayon incident et normale).
  • Réflexion : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence, de l'autre côté de la normale.
  • Réfraction : le rayon réfracté est de l'autre côté de la normale par rapport au rayon incident, et n1sin⁡i1=n2sin⁡i2.n_1 \sin i_1 = n_2 \sin i_2.

Vers un milieu plus réfringent (n2>n1n_2 > n_1), le rayon se rapproche de la normale.

2.4Réflexion totale

Si n1>n2n_1 > n_2, sin⁡i2=n1n2sin⁡i1\sin i_2 = \dfrac{n_1}{n_2}\sin i_1 dépasserait 1 dès que sin⁡i1>n2n1\sin i_1 > \dfrac{n_2}{n_1} : plus de rayon réfracté, tout est réfléchi.

Propriété 2.3Condition de réflexion totale

La réflexion totale a lieu si et seulement si n1>n2n_1 > n_2 et i1>ilimi_1 > i_{\text{lim}}, avec sin⁡ilim=n2n1.\sin i_{\text{lim}} = \frac{n_2}{n_1}.

Exemple 2.4Angles limites

  • Verre vers air : ilim≈41,8∘i_{\text{lim}} \approx 41{,}8^\circ.
  • Eau vers air : ilim≈48,8∘i_{\text{lim}} \approx 48{,}8^\circ.

Attention

Jamais de réflexion totale vers un milieu plus réfringent.

2.5Fibre optique à saut d'indice

Un cœur cylindrique d'indice n1n_1 est entouré d'une gaine d'indice n2<n1n_2 < n_1. La lumière y est guidée par réflexions totales successives.

Cône d'acceptance

On se limite aux rayons méridiens, contenus dans un plan qui contient l'axe de la fibre. Un tel rayon entre depuis l'air (indice pris égal à 1) par la face plane perpendiculaire à l'axe, sous l'angle θ\theta avec l'axe.

Propriété 2.5Ouverture numérique

Hypothèses

  • rayon méridien entrant depuis l'air par la face plane, sous l'angle θ\theta avec l'axe ;
  • n12−n22<1n_1^2 - n_2^2 < 1 (toujours vrai en pratique).

Alors le rayon est guidé si sin⁡θ<n12−n22\sin\theta < \sqrt{n_1^2 - n_2^2}. L'angle maximal θa\theta_a vérifie sin⁡θa=n12−n22,\sin\theta_a = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}, c'est l'ouverture numérique.

Démonstration

Le rayon se réfracte : sin⁡θ=n1sin⁡α\sin\theta = n_1 \sin\alpha, où α\alpha est l'angle avec l'axe dans le cœur. Il frappe la gaine avec l'incidence 90∘−α90^\circ - \alpha. La réflexion totale exige sin⁡(90∘−α)>n2n1,\sin(90^\circ - \alpha) > \frac{n_2}{n_1}, c'est-à-dire cos⁡α>n2n1\cos\alpha > \dfrac{n_2}{n_1}. Donc sin⁡α<1−n22n12,\sin\alpha < \sqrt{1 - \frac{n_2^2}{n_1^2}}, et en multipliant par n1n_1 : sin⁡θ<n12−n22\sin\theta < \sqrt{n_1^2 - n_2^2}.

Exemple 2.6

n1=1,50n_1 = 1{,}50 et n2=1,48n_2 = 1{,}48 donnent sin⁡θa≈0,244\sin\theta_a \approx 0{,}244, soit θa≈14∘\theta_a \approx 14^\circ.

Dispersion intermodale

Propriété 2.7Dispersion intermodale

Hypothèses

  • fibre de longueur LL ;
  • dispersion chromatique négligée (n1n_1 indépendant de λ\lambda).

Alors l'écart entre les temps de parcours extrêmes vaut Δt=n1Lc⋅n1−n2n2.\Delta t = \frac{n_1 L}{c}\cdot\frac{n_1 - n_2}{n_2}.

Démonstration

Le rayon le plus rapide suit l'axe : tmin⁡=n1Lct_{\min} = \dfrac{n_1 L}{c}. Le plus lent est à la limite de réflexion totale, cos⁡α=n2n1\cos\alpha = \dfrac{n_2}{n_1}. Il parcourt Lcos⁡α=n1Ln2\frac{L}{\cos\alpha} = \frac{n_1 L}{n_2} à la vitesse c/n1c/n_1, d'où tmax⁡=n12Ln2ct_{\max} = \dfrac{n_1^2 L}{n_2 c}. L'écart vaut Δt=tmax⁡−tmin⁡=n1Lc(n1n2−1).\begin{aligned} \Delta t &= t_{\max} - t_{\min} \\ &= \frac{n_1 L}{c}\left(\frac{n_1}{n_2} - 1\right). \end{aligned}

Avec les valeurs précédentes et L=1 kmL = 1 \unite{km}, Δt≈68 ns\Delta t \approx 68 \unite{ns}. Les impulsions doivent être espacées de plus que Δt\Delta t : le débit est limité à environ 1/Δt1/\Delta t, de l'ordre de 10710^{7} bits par seconde. Rapprocher n2n_2 de n1n_1 réduit Δt\Delta t mais rétrécit le cône.

3Image d'un objet

3.1Stigmatisme et conventions

Définition 3.1Stigmatisme

Un système est rigoureusement stigmatique pour AA et A′A' si tous les rayons issus de AA passent par A′A' (ou semblent en provenir) après traversée.

Définition 3.2Image et objet réels ou virtuels

  • L'image A′A' est réelle si les rayons y passent effectivement (on la recueille sur un écran), virtuelle sinon.
  • Un objet est réel si les rayons en partent réellement, virtuel si les rayons incidents convergent vers un point situé après la face d'entrée du système : ils sont interceptés avant de l'atteindre.

Conventions :

  • axe optique orienté dans le sens de la lumière, de gauche à droite ;
  • distances OA‾\overline{OA} algébriques, positives si AA est après OO ;
  • tailles AB‾\overline{AB} positives vers le haut ;
  • angle d'un rayon positif s'il monte.

3.2Miroir plan

Propriété 3.3Miroir plan

L'image de AA est son symétrique A′A' par rapport au miroir, pour tous les rayons : le miroir plan est rigoureusement stigmatique. Un objet réel donne une image virtuelle de même taille, derrière le miroir.

Pour un objet étendu ABAB, chaque point a pour image son symétrique, donc A′B′A'B' est le symétrique de ABAB, de même taille, droit (γ=+1\gamma = +1).

MéthodeFaisceau issu de B atteignant l'œil

  1. Joindre B′B' aux bords de la pupille.
  2. Ces droites coupent le miroir en II et JJ.
  3. Les rayons BIBI et BJBJ s'y réfléchissent vers l'œil.

3.3Stigmatisme approché et conditions de Gauss

Le stigmatisme approché suffit : les rayons issus de AA passent tous au voisinage de A′A', la tache obtenue étant plus petite que la taille d'un pixel (ou d'un grain) du détecteur.

Définition 3.4Conditions de Gauss

Pour les lentilles, on obtient le stigmatisme approché dans les conditions de Gauss : rayons proches de l'axe et peu inclinés (paraxiaux). En pratique, on diaphragme et on utilise de petits objets proches de l'axe.

Capacité numérique : lentille demi-boule

On considère une demi-boule de verre de rayon RR et d'indice nn, de centre CC. Un faisceau parallèle à l'axe entre par la face plane sans déviation. Un rayon de hauteur hh atteint la face sphérique sous l'incidence ii avec sin⁡i=h/R\sin i = h/R, ressort sous l'angle rr avec sin⁡r=nsin⁡i\sin r = n\sin i, et coupe l'axe en FF avec CF=Rcos⁡i+htan⁡(r−i).CF = R\cos i + \frac{h}{\tan(r - i)}.

MéthodeTester le stigmatisme par programme

  1. Fixer nn et RR.
  2. Faire varier hh d'une petite valeur non nulle (par exemple R/1000R/1000) jusqu'à R/nR/n par petits pas, et calculer ii, rr, puis CFCF.
  3. Stocker les couples (h,CF)(h, CF), les tracer et calculer l'écart relatif à la limite paraxiale.

On exclut h=0h = 0 : alors i=r=0i = r = 0 et tan⁡(r−i)=0\tan(r - i) = 0 donnerait une division par zéro. Ce cas est la limite paraxiale nRn−1\dfrac{nR}{n-1}. Au-delà de R/nR/n, il y a réflexion totale.

Exemple 3.5

Pour n=1,5n = 1{,}5 et R=1R = 1 (limite paraxiale 3) :

  • CF≈2,98CF \approx 2{,}98 pour h=0,1h = 0{,}1 ;
  • CF≈2,79CF \approx 2{,}79 pour h=0,3h = 0{,}3 ;
  • CF≈2,35CF \approx 2{,}35 pour h=0,5h = 0{,}5.

Les rayons éloignés de l'axe convergent plus près (aberration sphérique) : le stigmatisme n'est qu'approché, bon pour hh petit devant RR.

3.4Lentilles minces : éléments caractéristiques

Définition 3.6Lentille mince

Une lentille est mince si son épaisseur est petite devant les rayons de courbure de ses faces. Dans les conditions de Gauss, elle est approximativement stigmatique et aplanétique (un petit objet plan de front a une image plane de front).

Éléments caractéristiques :

  • Centre optique OO : un rayon passant par OO n'est pas dévié.
  • Foyer principal image F′F' : image d'un point objet à l'infini sur l'axe. Un rayon incident parallèle à l'axe ressort en passant par F′F'.
  • Foyer principal objet FF : point dont l'image est à l'infini sur l'axe. Un rayon passant par FF ressort parallèle à l'axe.
  • Lentille plongée dans un même milieu des deux côtés (l'air) : FF et F′F' sont symétriques par rapport à OO.

Définition 3.7Distances focales et vergence

  • Distance focale image f′=OF′‾f' = \overline{OF'}, distance focale objet f=OF‾=−f′f = \overline{OF} = -f'.
  • Vergence V=1f′V = \dfrac{1}{f'}, en dioptries ( δ= m−1\unite{\delta} = \unite{m^{-1}}).

Selon le signe de f′f' :

  • lentille convergente : f′>0f' > 0, F′F' réel après la lentille ;
  • lentille divergente : f′<0f' < 0, F′F' virtuel avant la lentille.

Propriété 3.8Foyers secondaires

  • Un faisceau parallèle incliné converge en un point du plan focal image (perpendiculaire à l'axe en F′F'), sur le rayon passant par OO.
  • Des rayons issus d'un point du plan focal objet ressortent parallèles au rayon qui joint ce point à OO.

3.5Construction d'une image

MéthodeConstruire l'image d'un objet AB

Pour un objet ABAB perpendiculaire à l'axe, AA sur l'axe :

  1. Tracer deux des trois rayons issus de BB : parallèle à l'axe puis par F′F' ; par OO sans déviation ; par FF puis parallèle à l'axe.
  2. Leur intersection donne B′B'.
  3. A′A' est au pied de la perpendiculaire à l'axe menée par B′B'.
  4. Si les rayons émergents divergent, prolonger leurs supports en pointillés : B′B' est virtuel.

Un objet à l'infini vu sous l'angle α\alpha a son image dans le plan focal image, à la hauteur f′αf'\alpha. Un rayon quelconque se construit avec son parallèle passant par OO et le plan focal image.

Propriété 3.9Lentille convergente, objet réel

  • Objet avant FF : image réelle renversée.
  • Objet en FF : image à l'infini.
  • Objet entre FF et OO : image virtuelle, droite, agrandie (loupe).

Propriété 3.10Lentille divergente

F′F' est avant la lentille et FF après. Le rayon incident parallèle à l'axe ressort comme s'il venait de F′F'. Le rayon qui vise FF ressort parallèle à l'axe. Pour un objet réel, l'image est toujours virtuelle, droite, plus petite, située entre F′F' et OO.

3.6Formules de conjugaison et de grandissement

Propriété 3.11Formules de Descartes (origine au centre)

1OA′‾−1OA‾=1f′.\frac{1}{\overline{OA'}} - \frac{1}{\overline{OA}} = \frac{1}{f'}. Grandissement transversal : γ=A′B′‾AB‾=OA′‾OA‾.\gamma = \frac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \frac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}.

Propriété 3.12Formules de Newton (origine aux foyers)

FA‾×F′A′‾=ff′=−f′2.\overline{FA}\times\overline{F'A'} = f f' = -f'^2. Grandissement : γ=−fFA‾=−F′A′‾f′.\gamma = -\frac{f}{\overline{FA}} = -\frac{\overline{F'A'}}{f'}.

Lecture du grandissement :

  • γ>0\gamma > 0 : image droite ;
  • γ<0\gamma < 0 : image renversée ;
  • ∣γ∣>1\abs{\gamma} > 1 : image agrandie.

Exemple 3.13

f′=10 cmf' = 10 \unite{cm}, OA‾=−30 cm\overline{OA} = -30 \unite{cm}.

  • Descartes : 1OA′‾=110−130=115\dfrac{1}{\overline{OA'}} = \dfrac{1}{10} - \dfrac{1}{30} = \dfrac{1}{15}, d'où OA′‾=15 cm\overline{OA'} = 15 \unite{cm} et γ=15−30=−0,5\gamma = \dfrac{15}{-30} = -0{,}5. Image réelle, renversée, deux fois plus petite.
  • Newton : FA‾=−20 cm\overline{FA} = -20 \unite{cm}, F′A′‾=5 cm\overline{F'A'} = 5 \unite{cm}, produit −100 cm2=−f′2-100 \unite{cm^2} = -f'^2, γ=−510=−0,5\gamma = -\dfrac{5}{10} = -0{,}5.

3.7Condition D⩾4f′D \geqslant 4f'

On cherche l'image réelle d'un objet réel par une lentille convergente, sur un écran placé à la distance fixe DD de l'objet.

Propriété 3.14Condition de formation de l'image réelle

Hypothèses

  • lentille convergente de distance focale image f′f' ;
  • objet réel, écran à la distance fixe DD de l'objet.

Alors une image réelle sur l'écran existe si et seulement si D⩾4f′D \geqslant 4f'.

Démonstration

On pose x=OA‾x = \overline{OA}, négatif, donc OA′‾=x+D\overline{OA'} = x + D. Descartes donne 1x+D−1x=1f′,\frac{1}{x + D} - \frac{1}{x} = \frac{1}{f'}, soit x2+Dx+Df′=0x^2 + Dx + Df' = 0. Elle a des solutions réelles si et seulement si D2−4Df′⩾0D^2 - 4Df' \geqslant 0, c'est-à-dire D⩾4f′D \geqslant 4f'. Ces solutions conviennent : x=−D±D2−4Df′2x = \frac{-D \pm \sqrt{D^2 - 4Df'}}{2} sont toutes deux négatives car D2−4Df′<D\sqrt{D^2 - 4Df'} < D, et x+D=D±D2−4Df′2x + D = \frac{D \pm \sqrt{D^2 - 4Df'}}{2} est positif.

Propriété 3.15Positions de la lentille

  • Si D>4f′D > 4f', il existe deux positions de la lentille, distantes de d=D2−4Df′d = \sqrt{D^2 - 4Df'}.
  • Si D=4f′D = 4f', une seule position, avec l'objet à 2f′2f' avant la lentille et γ=−1\gamma = -1.

MéthodeMéthode de Bessel

  1. Mesurer DD et dd.
  2. En déduire f′=D2−d24D.f' = \frac{D^2 - d^2}{4D}.

Exemple 3.16

D=1,00 mD = 1{,}00 \unite{m} et f′=0,20 mf' = 0{,}20 \unite{m} donnent d=0,20≈0,45 md = \sqrt{0{,}20} \approx 0{,}45 \unite{m}.

3.8Former une image en pratique

Au banc d'optique, on éclaire l'objet, on choisit la focale selon la place (D⩾4f′D \geqslant 4f') et on diaphragme.

RemarqueAutocollimation

Avec un miroir plan derrière la lentille, l'image se forme dans le plan de l'objet quand celui-ci est dans le plan focal objet.

4Modèles de quelques dispositifs optiques

4.1L'œil

On modélise l'œil par une lentille convergente de vergence variable (cornée et cristallin) et un capteur plan fixe (la rétine), à environ 17 mm17 \unite{mm}. Pour voir net, il adapte sa vergence : c'est l'accommodation.

  • Punctum remotum (point vu net sans accommoder) : à l'infini pour un œil normal. Vergence 1/0,017≈59 δ1/0{,}017 \approx 59 \unite{\delta}.
  • Punctum proximum (point le plus proche vu net) : vers 25 cm25 \unite{cm} chez l'adulte jeune. Vergence 59+1/0,25≈63 δ59 + 1/0{,}25 \approx 63 \unite{\delta}. Plage d'accommodation : de 25 cm25 \unite{cm} à l'infini.
  • Limite de résolution angulaire : environ 1 minute d'arc, soit 3×10−4 rad3 \times 10^{-4} \unite{rad}. À 25 cm25 \unite{cm}, deux points distants de moins de 0,1 mm0{,}1 \unite{mm} environ sont confondus.

4.2Lunette astronomique afocale

La lunette associe un objectif L1L_1 convergent de grande focale f1′f'_1, côté objet, et un oculaire L2L_2 convergent de petite focale f2′f'_2, côté œil.

Définition 4.1Lunette afocale

La lunette est afocale si F1′=F2F'_1 = F_2 : un objet à l'infini a une image à l'infini, vue sans accommoder par un œil normal. Sa longueur vaut f1′+f2′f'_1 + f'_2.

Schéma en mots : un faisceau parallèle incliné de α\alpha converge en B1B_1, dans le plan focal commun. B1B_1 étant dans le plan focal objet de l'oculaire, le faisceau ressort parallèle au rayon B1O2B_1O_2, incliné de α′\alpha', plus étroit et plus incliné.

Définition 4.2Grossissement

Le grossissement est G=α′αG = \dfrac{\alpha'}{\alpha}, rapport des angles orientés (positifs pour un rayon qui monte) sous lesquels on voit l'objet avec et sans instrument.

Propriété 4.3Grossissement d'une lunette afocale

Hypothèses

  • lunette afocale, F1′=F2F'_1 = F_2 ;
  • conditions de Gauss.

Alors G=−f1′f2′.G = -\frac{f'_1}{f'_2}.

Démonstration

L'image intermédiaire a pour hauteur algébrique F1′B1‾=f1′α\overline{F'_1B_1} = f'_1\alpha (rayon passant par O1O_1). Le rayon passant par B1B_1 et O2O_2 fait l'angle α′\alpha' tel que F2B1‾=−f2′α′\overline{F_2B_1} = -f'_2\alpha', car F2F_2 est avant l'oculaire. Comme F1′=F2F'_1 = F_2, on obtient f1′α=−f2′α′f'_1\alpha = -f'_2\alpha', d'où G=−f1′/f2′G = -f'_1/f'_2. Le signe moins traduit une image renversée.

Exemple 4.4Lunette commerciale « 70/700 »

Objectif de diamètre 70 mm70 \unite{mm} et de focale 700 mm700 \unite{mm}.

  • Avec un oculaire de 10 mm10 \unite{mm} : ∣G∣=70\abs{G} = 70 ; avec 25 mm25 \unite{mm} : ∣G∣=28\abs{G} = 28.
  • La Lune (0,5∘0{,}5^\circ à l'œil nu) est vue sous environ 35∘35^\circ avec ∣G∣=70\abs{G} = 70, ordre de grandeur obtenu en extrapolant la relation paraxiale.
  • Le faisceau émergent a pour diamètre 70×10/700=1 mm70 \times 10/700 = 1 \unite{mm}, moins que la pupille.

MéthodeMesurer le grossissement (méthode du cercle oculaire)

  1. Éclairer la monture de l'objectif, de diamètre Φ1\Phi_1.
  2. Recueillir sur un écran derrière l'oculaire son image par l'oculaire, le cercle oculaire, de diamètre Φ2\Phi_2.
  3. Comme Φ2=Φ1f2′/f1′\Phi_2 = \Phi_1 f'_2/f'_1, on obtient ∣G∣=Φ1/Φ2\abs{G} = \Phi_1/\Phi_2.

Autres protocoles :

  • comparer les angles sous lesquels on voit une mire lointaine avec et sans la lunette ;
  • mesurer f1′f'_1 et f2′f'_2 par autocollimation.

Méthodes

MéthodeConjuguer un objet et son image

  1. Orienter l'axe, écrire les distances algébriques (objet réel : OA‾<0\overline{OA} < 0), contrôler par un schéma.
  2. Utiliser Descartes si les distances partent de la lentille, Newton si elles partent des foyers.
  3. Pour un objet à l'infini, raisonner avec les angles et les plans focaux.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Établir la condition de réflexion totale.
  2. Établir l'ouverture numérique d'une fibre à saut d'indice, puis la dispersion intermodale.
  3. Construire l'image d'un objet, à distance finie ou infinie, par une lentille convergente ou divergente, et dire si elle est réelle ou virtuelle.
  4. Appliquer les formules de Descartes et de Newton.
  5. Démontrer la condition D⩾4f′D \geqslant 4f'.
  6. Tester par programme le stigmatisme approché d'une demi-boule.
  7. Modéliser l'œil, citer sa plage d'accommodation et sa limite de résolution.
  8. Dessiner le trajet d'un faisceau dans une lunette afocale et établir G=−f1′/f2′G = -f'_1/f'_2.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • Indice n = c/v ≥ 1, longueur d'onde dans le milieu λ = λ₀/n, fréquence inchangée. Exigible.
  • Validité de l'optique géométrique : obstacles et ouvertures grands devant λ. Exigible, avec la diffraction comme limite à citer.
  • Lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction, angles mesurés depuis la normale. Énoncé exigible, admis comme lois expérimentales.
  • Réflexion totale : elle a lieu si et seulement si n₁ > n₂ et sin i₁ > n₂/n₁. Exigible avec démonstration.
  • Fibre à saut d'indice, rayons méridiens, entrée depuis l'air : sin θa = √(n₁² − n₂²). Exigible avec démonstration.
  • Dispersion intermodale : Δt = (n₁L/c)(n₁ − n₂)/n₂, sans dispersion chromatique. Exigible avec démonstration.
  • Miroir plan : image symétrique de l'objet, stigmatisme rigoureux pour tout point, γ = +1. Exigible.
  • Lentille mince dans les conditions de Gauss : stigmatisme et aplanétisme approchés. Admis.
  • Propriétés du centre optique, des foyers principaux et secondaires, vergence V = 1/f'. Exigibles.
  • Descartes : 1/OA' − 1/OA = 1/f', γ = OA'/OA. Newton : FA × F'A' = −f'², γ = −f/FA = −F'A'/f'. Exploitation exigible, formules admises.
  • Image réelle d'un objet réel par une lentille convergente, objet et écran distants de D : possible si et seulement si D ≥ 4f'. Exigible avec démonstration.
  • Œil : lentille de vergence variable et rétine fixe. Ordres de grandeur exigibles : plage d'accommodation de 25 cm à l'infini, résolution angulaire voisine de 3 × 10⁻⁴ rad.
  • Lunette afocale, F'₁ = F₂ : G = −f'₁/f'₂. Exigible avec démonstration.
  • Stigmatisme approché de la demi-boule : capacité numérique exigible, par programme.

Clés de démonstration

Réflexion totale. On cherche i₂ tel que sin i₂ = (n₁/n₂) sin i₁. Un sinus ne dépasse pas 1, donc il n'y a pas de rayon réfracté dès que (n₁/n₂) sin i₁ > 1. Cela n'est possible que si n₁/n₂ > 1. L'astuce : partir de la loi de la réfraction et chercher quand elle n'a plus de solution.

Cône d'acceptance. Trois étapes : réfraction sur la face d'entrée (sin θ = n₁ sin α), angle d'incidence sur la gaine égal à 90° − α, puis condition de réflexion totale cos α > n₂/n₁. L'astuce : passer de cos α à sin α par sin² + cos² = 1, puis multiplier par n₁.

Dispersion intermodale. Le rayon axial parcourt L. Le rayon limite parcourt L/cos α, avec cos α = n₂/n₁. Les deux vont à c/n₁. L'astuce : la longueur du trajet en zigzag se lit sur un seul triangle, la projection sur l'axe vaut toujours L.

Condition D ≥ 4f'. On pose x = OA < 0, alors OA' = x + D. Descartes donne une équation du second degré x² + Dx + Df' = 0. L'astuce : le discriminant D² − 4Df' décide de tout, puis on vérifie que les racines donnent bien un objet réel et une image réelle.

Grossissement de la lunette. Le rayon qui passe par O₁ n'est pas dévié et donne la hauteur de l'image intermédiaire, f'₁α. Le rayon qui sort de cette image en passant par O₂ donne l'angle de sortie, f'₂ × (−α') = f'₁α. L'astuce : utiliser à chaque fois le rayon qui passe par le centre optique.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. Un rayon qui passe du verre à l'air sous 45° est totalement réfléchi (45° > 41,8°). C'est le principe du prisme à réflexion totale des jumelles.
  2. De l'air vers l'eau, jamais de réflexion totale, quel que soit l'angle. Le piège classique.
  3. Un trou de 0,1 mm éclairé par un laser, observé sur un écran à quelques mètres, étale la tache au lieu de l'affiner. La limite du modèle de rayon.
  4. Le miroir plan donne d'un objet réel une image virtuelle. Il est le seul système rigoureusement stigmatique du chapitre pour tous les points.
  5. La demi-boule n'est pas stigmatique : les rayons éloignés de l'axe convergent plus près. Le stigmatisme approché n'existe que pour h petit devant R.
  6. Un objet placé au foyer objet d'une convergente a son image à l'infini. C'est la position de l'oculaire dans une lunette afocale.
  7. Une divergente donne toujours d'un objet réel une image virtuelle, droite, réduite. Elle peut en revanche donner une image réelle d'un objet virtuel situé entre O et F.
  8. Une convergente peut donner d'un objet virtuel une image réelle plus proche que F'. L'objet virtuel n'est pas réservé aux divergentes.
  9. Avec D < 4f', aucune position de la lentille ne donne d'image nette sur l'écran. On change de lentille, pas de réglage.
  10. L'œil myope voit net de près mais pas à l'infini : son punctum remotum est à distance finie. Il est trop convergent.

Techniques du chapitre

Technique 1, orienter et poser les signes avant tout calcul. Mini-exercice : objet réel à 40 cm avant une convergente de 10 cm. On écrit OA = −40 cm, f' = +10 cm, puis 1/OA' = 1/10 − 1/40 = 3/40, donc OA' ≈ +13,3 cm. Image réelle après la lentille.

Technique 2, choisir Newton quand les distances partent des foyers. Mini-exercice : un objet à 5 cm avant F d'une lentille de focale 20 cm. FA = −5 cm, donc F'A' = −f'²/FA = 400/5 = 80 cm, et γ = −F'A'/f' = −4.

Technique 3, objet à l'infini, raisonner en angles. Mini-exercice : la Lune, vue sous 9 × 10⁻³ rad, photographiée avec un objectif de 50 mm. Son image est dans le plan focal, de diamètre f'α ≈ 50 × 9 × 10⁻³ ≈ 0,45 mm.

Technique 4, réflexion totale par l'angle limite. Mini-exercice : rayon dans l'eau (1,33) vers l'air sous 60°. sin ilim = 1/1,33 ≈ 0,752, ilim ≈ 48,8°. Comme 60° > 48,8°, il y a réflexion totale.

Technique 5, construction par le foyer secondaire. Mini-exercice : rayon quelconque incident sur une convergente. On trace le rayon parallèle passant par O, il coupe le plan focal image en un point Φ'. Le rayon émergent passe par Φ'.

Technique 6, convertir vergence et focale. Mini-exercice : verre de −2,5 δ. f' = 1/V = −0,40 m, lentille divergente, foyer image virtuel à 40 cm avant elle.

Technique 7, deux lentilles en série par image intermédiaire. Mini-exercice : l'image A₁ donnée par la première lentille devient l'objet de la seconde. On calcule O₂A₁ = O₂O₁ + O₁A₁, et ce nombre peut être positif (objet virtuel pour la seconde).

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Une petite lampe est posée au fond d'une piscine, à h = 1,00 m sous la surface, dans une eau d'indice 1,33. Vue d'au-dessus, la surface présente un disque lumineux. Expliquer et calculer son rayon.

Technique réflexion totale et géométrie d'un cône.

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  1. Un rayon issu de la lampe atteint la surface avec l'incidence i. Il ressort dans l'air seulement si i < ilim, avec sin ilim = 1/1,33.
  2. ilim ≈ 48,8°. Au-delà, la lumière est réfléchie vers le fond.
  3. Les points de sortie forment un disque centré à la verticale de la lampe, de rayon r = h tan ilim ≈ 1,00 × 1,14 ≈ 1,14 m.

piège : Prendre sin au lieu de tan pour passer de l'angle au rayon du disque.

Exercice 2

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Une fibre à saut d'indice a un cœur d'indice 1,46 et une gaine d'indice 1,44. Calculer l'ouverture numérique, le demi-angle d'acceptance, la dispersion intermodale sur 10 km et l'ordre de grandeur du débit maximal.

Technique formules établies en cours, puis application numérique soignée.

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  1. sin θa = √(1,46² − 1,44²) = √(2,1316 − 2,0736) = √0,058 ≈ 0,241, d'où θa ≈ 13,9°.
  2. Δt = (n₁L/c)(n₁ − n₂)/n₂ = (1,46 × 10⁴ / 3,00 × 10⁸) × (0,02/1,44) ≈ 4,87 × 10⁻⁵ × 0,0139 ≈ 6,8 × 10⁻⁷ s.
  3. Deux impulsions doivent être séparées de plus de Δt. Débit maximal de l'ordre de 1/Δt ≈ 1,5 × 10⁶ bits par seconde.

piège : Prendre √((n₁ − n₂)²) = 0,02 au lieu de √(n₁² − n₂²) ≈ 0,24.

Exercice 3

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Une personne de 1,80 m, dont les yeux sont à 1,70 m du sol, se regarde dans un miroir plan vertical. Quelle hauteur minimale de miroir lui permet de se voir en entier, et à quelle hauteur placer son bord inférieur ? La distance au miroir compte-t-elle ?

Technique image symétrique, puis droites joignant l'œil aux images.

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  1. L'image des pieds est symétrique des pieds par rapport au miroir. Le rayon utile va de l'image des pieds à l'œil. Il coupe le miroir à mi-chemin, donc à mi-hauteur entre le sol et l'œil : 0,85 m.
  2. De même pour le sommet du crâne : le point utile est à mi-hauteur entre 1,70 et 1,80 m, soit 1,75 m.
  3. Hauteur minimale : 1,75 − 0,85 = 0,90 m, la moitié de la taille. La distance au miroir n'intervient pas, chaque point utile étant au milieu d'un segment.

piège : Tracer les rayons depuis l'objet vers l'image au lieu de partir de l'image virtuelle vers l'œil.

Exercice 4

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Une lentille divergente de focale −20 cm reçoit un objet réel AB de 2 cm placé 30 cm avant elle. Trouver l'image par Descartes, vérifier par Newton, conclure sur sa nature.

Technique Descartes, puis contrôle par Newton.

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  1. 1/OA' = 1/f' + 1/OA = −1/20 − 1/30 = −1/12, donc OA' = −12 cm.
  2. γ = OA'/OA = −12/(−30) = 0,4, d'où A'B' = 0,8 cm.
  3. Contrôle par Newton. Pour une divergente, F est après la lentille : OF = +20 cm et OF' = −20 cm. FA = −30 − 20 = −50 cm, F'A' = −12 + 20 = 8 cm. Produit : −400 cm² = −f'². γ = −F'A'/f' = −8/(−20) = 0,4.
  4. Image virtuelle (avant la lentille), droite, réduite, entre F' et O.

piège : Placer F avant une divergente, comme pour une convergente.

Exercice 5

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Un faisceau convergent tombe sur une lentille convergente de focale 20 cm. Sans la lentille, il convergerait en un point A situé 10 cm après elle, sur l'axe. Où converge-t-il avec la lentille ? Même question avec une divergente de focale −20 cm.

Technique objet virtuel, OA > 0.

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  1. A est un objet virtuel : OA = +10 cm.
  2. Convergente : 1/OA' = 1/20 + 1/10 = 3/20, OA' ≈ 6,7 cm. Image réelle, plus proche que F'.
  3. Divergente : 1/OA' = −1/20 + 1/10 = 1/20, OA' = 20 cm. Image réelle, plus loin que A.
  4. Vérification qualitative : la convergente fait converger davantage, la divergente moins. Cohérent.

piège : Écrire OA = −10 cm par habitude de l'objet réel.

Exercice 6

Classiques de khôlle et concours · Écrit, type CCINP

Au banc d'optique, objet et écran sont distants de D = 1,20 m. On trouve deux positions de la lentille donnant une image nette, distantes de d = 0,40 m. Calculer f', les deux positions et les grandissements.

Technique condition D ≥ 4f' et formule de Bessel.

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  1. f' = (D² − d²)/(4D) = (1,44 − 0,16)/4,80 ≈ 0,267 m. On vérifie D ≥ 4f' ≈ 1,07 m.
  2. Les racines de x² + Dx + Df' = 0 sont x = (−D ± d)/2, soit OA = −0,80 m ou −0,40 m.
  3. Première position : OA' = 0,40 m, γ = −0,5. Seconde : OA' = 0,80 m, γ = −2.
  4. Les deux positions sont échangées par retour inverse de la lumière, et le produit des grandissements vaut 1.

piège : Oublier de vérifier que les deux racines sont négatives, ou confondre d avec la distance objet-lentille.

Exercice 7

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Un œil myope a son punctum remotum à 50 cm et son punctum proximum à 12 cm. On modélise l'œil par une lentille à 17 mm de la rétine. Calculer ses vergences extrêmes. On le corrige par une lentille de contact de −2 δ, accolée à l'œil : où sont ses nouveaux points limites ? À quelle distance maximale distingue-t-il deux phares écartés de 1,5 m ?

Technique conjugaison avec l'image sur la rétine, puis lentille correctrice comme premier élément.

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  1. Vergence au repos : 1/0,017 + 1/0,50 ≈ 58,8 + 2,0 = 60,8 δ. Vergence maximale : 58,8 + 1/0,12 ≈ 58,8 + 8,3 ≈ 67,2 δ.
  2. Correction : l'objet à l'infini a pour image par la lentille de −2 δ son foyer image, à 50 cm avant elle, au punctum remotum. Il est vu net sans accommoder.
  3. Nouveau punctum proximum : la lentille doit donner une image à OA' = −0,12 m. 1/OA = 1/OA' − V = −8,33 + 2 = −6,33 δ, donc OA ≈ −0,158 m, environ 16 cm.
  4. Résolution : 1,5/d ≥ 3 × 10⁻⁴ rad, soit d ≤ 5 × 10³ m. Au-delà de 5 km environ, les deux phares sont confondus.

piège : Donner une vergence correctrice positive à un myope, qui est trop convergent.

Exercice 8

Classiques de khôlle et concours · Écrit, type CCINP

Une lunette afocale a un objectif de focale 1 000 mm et de diamètre 100 mm, et un oculaire de focale 20 mm. Calculer sa longueur, son grossissement, le diamètre du faisceau émergent et la position du cercle oculaire. Deux étoiles séparées de 2 secondes d'arc sont-elles séparées à l'œil à travers la lunette, en optique géométrique ?

Technique grossissement, puis image de l'objectif par l'oculaire.

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  1. Longueur f'₁ + f'₂ = 1,02 m. G = −1 000/20 = −50.
  2. Faisceau émergent : 100 × 20/1 000 = 2 mm, ce qui entre dans la pupille.
  3. Cercle oculaire : image de la monture de l'objectif par l'oculaire. O₂A = −1,02 m, donc 1/O₂A' = 1/0,020 − 1/1,02 ≈ 49,02 m⁻¹, O₂A' ≈ 20,4 mm. On place l'œil là, juste après le foyer image de l'oculaire.
  4. 2'' × 50 = 100'', soit environ 1,7', supérieur à 1'. Les étoiles sont séparées par l'œil. La diffraction par l'objectif, hors de ce chapitre, impose une autre limite.

piège : Placer l'œil contre l'oculaire, ou oublier le signe de G alors que l'image est renversée.

Exercice 9

Classiques de khôlle et concours · Capacité numérique, type oral

Demi-boule de rayon R = 1 et d'indice n = 1,5, faisceau parallèle à l'axe entrant par la face plane. Retrouver la limite paraxiale de CF, puis écrire une fonction Python qui renvoie CF pour une hauteur h, et trouver la plus grande hauteur donnant un écart relatif inférieur à 1 %.

Technique petits angles, puis balayage numérique.

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  1. Pour h petit, i ≈ h/R, r ≈ nh/R, r − i ≈ (n − 1)h/R, cos i ≈ 1. Donc CF ≈ R + R/(n − 1) = nR/(n − 1) = 3.
  2. Le programme ci-dessous calcule CF pour h entre 0 exclu et R/n exclu.
from math import asin, cos, tan
def CF(h, n=1.5, R=1.0):
    i = asin(h / R)
    r = asin(n * h / R)
    return R * cos(i) + h / tan(r - i)
limite = 1.5 * 1.0 / 0.5
h = 0.001
while abs(CF(h) - limite) / limite < 0.01:
    h = h + 0.001
print(h)
  1. On trouve un écart de 1 % vers h ≈ 0,115 R. Pour h = 0,1 l'écart vaut environ 0,75 %, pour h = 0,3 il atteint 7 %.
  2. Le stigmatisme est approché pour les rayons proches de l'axe seulement. On diaphragme la face plane pour l'obtenir.

piège : Démarrer la boucle à h = 0, où tan(r − i) est nul et la division échoue, ou dépasser h = R/n, où asin reçoit un argument supérieur à 1.

Erreurs fréquentes

  1. Oublier les signes : écrire OA > 0 pour un objet réel, ou f' > 0 pour une divergente.
  2. Chercher une réflexion totale vers un milieu plus réfringent.
  3. Construire une image avec un seul rayon, ou tracer en trait plein le prolongement d'un rayon virtuel.
  4. Confondre foyer objet et foyer image d'une divergente, dont F' est avant la lentille.
  5. Écrire le grossissement de la lunette sans signe, ou comme f'₂/f'₁. L'objectif a la grande focale.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de MP2I (2021), thème « Ondes et signaux », partie 1.1 « Formation des images ».