📘 CodingMarble Learn

Réflexion de la lumière : miroirs plans et sphériques

La lumière rebondit sur une surface brillante de sorte que l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. Un miroir plan donne une image virtuelle, droite, de même taille, aussi loin derrière que l'objet est devant. Un miroir concave peut donner une image réelle ou virtuelle selon la position de l'objet ; un miroir convexe donne toujours une image virtuelle, droite et plus petite. La formule 1/v + 1/u = 1/f et le grandissement m = −v/u (avec la convention de signes cartésienne) permettent de trouver l'image sans dessiner.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Un rayon frappe un miroir plan au pôle P. Ici, l'axe est la normale. Le rayon repart avec le même angle que celui d'arrivée : angle i égal à angle r.
  2. Un miroir plan fabrique l'image derrière la vitre : droite, de même taille, et aussi loin derrière que l'objet est devant. Les rayons semblent seulement venir de là, donc l'image est virtuelle (lignes en pointillés).
  3. Voici un miroir concave, creusé vers l'intérieur comme une cuillère. Les rayons parallèles à l'axe rebondissent tous par un même point, le foyer F. Le centre de courbure C est deux fois plus loin : R = 2f.
  4. Regarde l'objet marcher vers le miroir concave : au-delà de C, en C, entre C et F, en F, puis à l'intérieur de F. L'image grandit, s'enfuit à l'infini, puis saute derrière le miroir, droite.
  5. Un miroir convexe est bombé vers l'extérieur. Les rayons parallèles s'écartent comme s'ils venaient de F, derrière le miroir. Où que tu mettes l'objet, l'image est derrière : virtuelle, droite et plus petite.
  6. À toi de jouer. Fais glisser l'objet vert, change f ou choisis un autre miroir. L'affichage résout 1/v + 1/u = 1/f et m = −v/u avec les bons signes.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi mesure-t-on l'angle à partir de la normale et pas du miroir ?

La normale est la même quelle que soit la direction autour du point, elle donne donc une référence claire. À l'étape 1, l'axe est la normale en P et les deux angles de chaque côté sont égaux.

Pourquoi l'image d'un miroir plan ne peut-elle pas être recueillie sur un écran ?

Les rayons réfléchis reviennent vers toi et ne se rencontrent jamais derrière le miroir. Seuls leurs prolongements en pointillés se rencontrent, ce qui rend l'image virtuelle. Voir l'étape 2.

Pourquoi F est-il exactement au milieu entre P et C ?

Chaque rayon parallèle rebondit symétriquement par rapport à la normale (qui pointe vers C). Pour les rayons proches de l'axe, cela les envoie par le milieu de PC, donc f = R/2. L'étape 3 montre tous les rayons parallèles qui se croisent en F.

Que se passe-t-il quand l'objet est exactement en F ?

Les rayons réfléchis sortent parallèles et ne se rencontrent jamais, donc l'image est « à l'infini ». À l'étape 4, l'image disparaît à ce moment ; déplace un peu l'objet de chaque côté pour la voir revenir.

Un miroir convexe peut-il donner une image réelle ou plus grande ?

Non. Ses rayons réfléchis s'écartent toujours, ils semblent donc se rencontrer seulement derrière le miroir entre P et F : toujours virtuelle, droite et plus petite. Fais glisser l'objet à l'étape 5 pour le vérifier.

Comment savoir que le signe de ma réponse est juste ?

Utilise le banc en jeu libre : l'affichage donne u, v, f et m avec leurs signes, et l'image dessinée y correspond. Un v négatif veut dire image devant (réelle) ; un v positif, image derrière (virtuelle).

Qu'est-ce que la réflexion ? Les deux lois de la réflexion

Quand la lumière tombe sur une surface lisse et brillante et repart dans le même milieu, on parle de réflexion. Le rayon qui arrive est le rayon incident, le rayon qui repart est le rayon réfléchi, et la droite tracée à 90° de la surface au point d'impact est la normale.

  1. Première loi : l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion (∠i = ∠r). Les deux angles se mesurent à partir de la normale, pas à partir du miroir.
  2. Deuxième loi : le rayon incident, la normale en ce point et le rayon réfléchi sont tous dans le même plan.

Ces lois valent pour toute surface réfléchissante : miroirs plans, miroirs courbes, et même l'eau. Pour un miroir courbe, la normale en un point est la droite qui joint ce point au centre de courbure.

Image donnée par un miroir plan

Un miroir plan (plat) donne toujours une image :

Miroirs sphériques : concave et convexe

Un miroir sphérique est un morceau découpé dans une sphère creuse et brillante. Si la face brillante est l'intérieur (creusé), c'est un miroir concave ; si la face brillante est bombée vers l'extérieur, c'est un miroir convexe.

Termes importants

Pour les miroirs de petite ouverture, R = 2f, donc F est au milieu entre P et C.

Règles pour tracer les rayons

Pour trouver l'image, prends deux quelconques de ces rayons partant du sommet de l'objet. Là où ils se rencontrent (ou semblent se rencontrer), c'est le sommet de l'image.

  1. Un rayon parallèle à l'axe principal passe par F après réflexion (concave) ou semble venir de F (convexe).
  2. Un rayon qui passe par F (concave) ou se dirige vers F (convexe) repart parallèle à l'axe.
  3. Un rayon qui passe par C (concave) ou se dirige vers C (convexe) frappe le miroir selon la normale et revient sur lui-même.
  4. Un rayon qui frappe le pôle repart avec le même angle de l'autre côté de l'axe (l'axe est la normale en P).

Dans le banc 3D, le rayon orange suit la règle 1 et le rayon turquoise la règle 4. Les lignes en pointillés montrent d'où les rayons réfléchis semblent venir : c'est une image virtuelle.

Image donnée par un miroir concave (toutes les positions de l'objet)

Position de l'objetPosition de l'imageTailleNature
À l'infiniEn FPonctuelle, très réduiteRéelle, renversée
Au-delà de CEntre F et CRéduiteRéelle, renversée
En CEn CMême tailleRéelle, renversée
Entre C et FAu-delà de CAgrandieRéelle, renversée
En FÀ l'infiniTrès agrandieRéelle, renversée
Entre P et FDerrière le miroirAgrandieVirtuelle, droite

Ce qu'il faut remarquer : quand l'objet se rapproche de l'infini vers F, l'image réelle s'éloigne de F vers l'infini et grandit sans cesse. À l'intérieur de F, l'image devient virtuelle et droite. Parcours les six cas à l'étape 4 de l'histoire ou en faisant glisser l'objet.

Image donnée par un miroir convexe

Position de l'objetPosition de l'imageTailleNature
À l'infiniEn F, derrière le miroirPonctuelleVirtuelle, droite
N'importe où entre l'infini et PEntre P et F, derrière le miroirRéduiteVirtuelle, droite

L'image d'un miroir convexe ne dépasse jamais F et n'est jamais réelle. Plus l'objet est proche, plus l'image est grande (mais toujours plus petite que l'objet).

Usages des miroirs concaves et convexes

Convention de signes cartésienne pour les miroirs sphériques

Conséquences : un miroir concave a une focale f négative ; un miroir convexe a une focale f positive. Une image réelle (devant) a un v négatif ; une image virtuelle (derrière) a un v positif.

Formule des miroirs et grandissement

La distance objet u, la distance image v et la distance focale f sont liées par la formule des miroirs :

1/v + 1/u = 1/f

Le grandissement dit combien de fois l'image est plus grande et si elle est droite :

m = h′/h = −v/u

Comment résoudre : écris les valeurs connues avec leurs signes, mets-les dans la formule, calcule l'inconnue, puis lis le signe du résultat pour trouver la nature de l'image. Les examens demandent en général un tracé de rayons (2 à 3 points) et un calcul avec la formule des miroirs (3 points) sur ce chapitre.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Un miroir concave a un rayon de courbure de 30 cm. Quelle est sa distance focale (avec le signe) ?

f = R/2 = 30/2 = 15 cm. F est devant un miroir concave, dans le sens contraire de la lumière incidente, donc f = −15 cm.

2. Un miroir convexe a une distance focale de 12 cm. Trouve son rayon de courbure.

R = 2f = 2 × 12 = 24 cm. Le centre de courbure est derrière le miroir, donc R = +24 cm.

3. Un objet est placé à 30 cm devant un miroir concave de distance focale 20 cm. Trouve la position de l'image, le grandissement et la nature.

u = −30 cm, f = −20 cm. 1/v = 1/f − 1/u = −1/20 + 1/30 = (−3 + 2)/60 = −1/60, donc v = −60 cm. m = −v/u = −(−60)/(−30) = −2. L'image est à 60 cm devant le miroir : réelle, renversée, deux fois plus grande (objet entre C et F, image au-delà de C).

4. Un objet de 4 cm de haut est à 10 cm devant un miroir concave de distance focale 15 cm. Trouve la position et la hauteur de l'image.

u = −10, f = −15. 1/v = −1/15 + 1/10 = (−2 + 3)/30 = 1/30, donc v = +30 cm (derrière le miroir). m = −v/u = −30/(−10) = +3. h′ = m × h = 3 × 4 = 12 cm. Virtuelle, droite, agrandie 3 fois : c'est ainsi que fonctionne un miroir de rasage.

5. Un objet est à 20 cm devant un miroir convexe de distance focale 20 cm. Trouve l'image.

u = −20, f = +20. 1/v = 1/20 − 1/(−20) = 1/20 + 1/20 = 1/10, donc v = +10 cm. m = −10/(−20) = +0.5. Image à 10 cm derrière le miroir, virtuelle, droite, moitié moins grande.

6. Un miroir concave forme sur un écran, à 60 cm du miroir, une image réelle trois fois plus grande que l'objet. Où est l'objet et quelle est la distance focale ?

Image réelle sur un écran : v = −60 cm et m = −3 (les images réelles sont renversées). m = −v/u → −3 = 60/u → u = −20 cm. 1/f = 1/v + 1/u = −1/60 − 1/20 = (−1 − 3)/60 = −4/60, donc f = −15 cm. Objet à 20 cm devant ; distance focale 15 cm.

7. Le rétroviseur convexe d'une voiture a R = 3 m. Un bus est à 5 m derrière. Trouve la position de l'image du bus et le rapport de taille.

f = R/2 = +1.5 m, u = −5 m. 1/v = 1/1.5 + 1/5 = 0.667 + 0.200 = 0.867, donc v ≈ +1.15 m. m = −v/u = 1.15/5 ≈ 0.23. L'image est à 1.15 m derrière le miroir, virtuelle, droite et environ quatre fois plus petite : une grande zone tient donc dans un petit miroir.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. L'angle de réflexion se mesure à partir de :
2. La distance focale d'un miroir concave de rayon 40 cm est :
3. Quel miroir donne toujours une image virtuelle, droite et réduite ?
4. Pour un miroir concave, où doit être l'objet pour obtenir une image de même taille ?
5. Un grandissement de −2 signifie que l'image est :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelle est la formule des miroirs sphériques ?

1/v + 1/u = 1/f, où u est la distance objet, v la distance image et f la distance focale, toutes mesurées à partir du pôle avec la convention de signes cartésienne.

Quelle est la différence entre un miroir concave et un miroir convexe ?

Un miroir concave est creusé vers l'intérieur et peut former des images réelles ou virtuelles selon la position de l'objet. Un miroir convexe est bombé vers l'extérieur et forme toujours une image virtuelle, droite et réduite.

Pourquoi le grandissement est-il négatif pour une image réelle ?

Une image réelle est renversée, donc sa hauteur a le signe opposé à celle de l'objet. Comme m = h′/h, m est négatif.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 10E. Physics: Light and Geometric Optics
Canada (Ontario)Grade 10E. Physics: Light and Applications of Optics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 1ªFoundations, optics, heat and mechanics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 2ªFoundations, optics, heat and mechanics
PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIIOptics
RomaniaClasa a VIII-aOptical phenomena
Spain2º BachilleratoVibrations and waves
Ukraine9 класLight phenomena
CBSE (India)Class 10Natural Phenomena
Russia9 классLight phenomena
Russia9 классLight phenomena
China八年级(初二)Ch.4 Light

À voir ensuite

Leçons liées

Toutes les leçons de Physics