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Lentilles sphériques : images, formule et vergence

Une lentille convexe (convergente) est plus épaisse au centre et fait se rejoindre les rayons parallèles en son foyer ; une lentille concave (divergente) est plus mince au centre et écarte la lumière comme si elle venait de son foyer. Avec deux rayons simples (un parallèle à l'axe, un passant par le centre optique), on trouve l'image pour toute position de l'objet. Une lentille convexe donne une image réelle et renversée si l'objet est au-delà de F₁, et une image virtuelle, droite et agrandie s'il est entre F₁ et la lentille ; une lentille concave donne toujours une image virtuelle, droite et plus petite. La formule 1/v − 1/u = 1/f, le grandissement m = v/u et la vergence P = 1/f (f en mètres, unité : la dioptrie) permettent de résoudre les exercices.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Voici une lentille convexe, plus épaisse au milieu. Les rayons parallèles à l'axe se courbent et se rejoignent en un point de l'autre côté : le foyer F₂. Il y a un foyer de chaque côté (F₁, F₂), et 2F est deux fois plus loin.
  2. Place un objet au-delà de 2F₁. Utilise deux rayons : l'orange arrive parallèle et passe par F₂ ; le vert passe tout droit par le centre O. Ils se croisent : image réelle, renversée, plus petite.
  3. Maintenant l'objet se rapproche : en 2F₁, entre 2F₁ et F₁, en F₁, puis à l'intérieur de F₁. L'image grandit et s'éloigne ; en F₁ elle part à l'infini ; à l'intérieur de F₁ elle devient virtuelle, droite et grande, comme avec une loupe.
  4. Une lentille concave est plus mince au milieu. Elle écarte les rayons comme s'ils venaient de F₁. Quelle que soit la position de l'objet, l'image est du même côté : virtuelle, droite et plus petite.
  5. Les chiffres : f = +20 cm et u = −30 cm. La formule 1/v − 1/u = 1/f donne v = +60 cm, et m = v/u = −2 : image réelle, renversée, deux fois plus grande. Le banc montre exactement cela.
  6. La vergence P = 1/f, avec f en mètres. Ici f = 25 cm, donc P = +4 D. Change f et regarde la vergence ; déplace l'objet et change de lentille pour explorer.

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

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi les rayons parallèles se rejoignent-ils en un point après une lentille convexe ?

Chaque partie de la lentille ressemble à un petit prisme ; les rayons près du bord sont plus déviés que ceux près du centre, donc tous croisent l'axe en F₂. L'étape 1 montre le faisceau parallèle qui converge.

Pourquoi le rayon qui passe par le centre optique n'est-il pas dévié ?

Au centre, les deux faces sont parallèles, comme une fine lame de verre, donc le rayon ressort dans la même direction (le petit décalage sur le côté est négligé pour les lentilles minces). Regarde le rayon vert à l'étape 2.

Où passe l'image quand l'objet est en F₁ ?

Les rayons réfractés ressortent parallèles et ne se rejoignent jamais : l'image est à l'infini. À l'étape 3, l'image disparaît à ce moment-là, puis revient de l'autre côté sous forme d'image virtuelle.

Une lentille concave peut-elle donner une image réelle ?

Pas d'un objet réel. Ses rayons divergent toujours, donc l'image est toujours virtuelle, droite et plus petite. Déplace l'objet à l'étape 4 pour tester toutes les positions.

Pourquoi v est-il positif pour une image réelle avec une lentille, mais négatif avec un miroir ?

Une lentille laisse passer la lumière, donc l'image réelle se forme à droite (sens de la lumière, positif). Un miroir renvoie la lumière en arrière, donc son image réelle est à gauche (négatif). L'étape 5 montre v = +60 cm pour la lentille.

Pourquoi une distance focale plus courte donne-t-elle une vergence plus grande ?

Un f court veut dire que la lentille dévie les rayons très fort pour qu'ils se rejoignent tout près. Avec P = 1/f, un petit f donne un grand nombre. Change f à l'étape 6 et regarde P.

Lentilles convexes et concaves : les termes de base

Une lentille est un morceau de matière transparente dont au moins une face est courbe. Elle fonctionne par réfraction, pas par réflexion.

Vocabulaire

Règles pour tracer les rayons avec une lentille

  1. Un rayon parallèle à l'axe principal passe par F₂ après la réfraction (convexe) ou semble venir de F₁ (concave).
  2. Un rayon qui passe par F₁ (convexe) ou qui se dirige vers F₂ (concave) ressort parallèle à l'axe.
  3. Un rayon qui passe par le centre optique O traverse la lentille sans être dévié.

Deux rayons suffisent. Dans le banc 3D, le rayon orange suit la règle 1 et le rayon vert la règle 3 ; les pointillés signifient que les rayons semblent seulement se croiser à cet endroit (image virtuelle).

Formation de l'image par une lentille convexe (toutes les positions de l'objet)

Position de l'objetPosition de l'imageTailleNature
À l'infiniEn F₂Ponctuelle, très petiteRéelle, renversée
Au-delà de 2F₁Entre F₂ et 2F₂Plus petiteRéelle, renversée
En 2F₁En 2F₂Même tailleRéelle, renversée
Entre F₁ et 2F₁Au-delà de 2F₂AgrandieRéelle, renversée
En F₁À l'infiniTrès agrandieRéelle, renversée
Entre F₁ et ODu même côté que l'objetAgrandieVirtuelle, droite

Usages de ces cas : objet très loin → appareil photo ; objet entre F₁ et 2F₁ → projecteur ; objet à l'intérieur de F₁ → loupe.

Formation de l'image par une lentille concave

Position de l'objetPosition de l'imageTailleNature
À l'infiniEn F₁PonctuelleVirtuelle, droite
Entre l'infini et OEntre F₁ et O, du même côtéPlus petiteVirtuelle, droite

Une lentille concave ne peut jamais former une image réelle d'un objet réel. C'est pourquoi on l'utilise dans les judas de porte (une vue large, petite et droite) et pour corriger la myopie.

Convention de signes et formule de la lentille

Les lentilles utilisent la même convention de signes cartésienne que les miroirs, avec le centre optique O comme origine. La lumière va de gauche à droite, donc u est négatif. Les distances à droite de O sont positives.

Formule de la lentille : 1/v − 1/u = 1/f

Grandissement : m = h′/h = v/u

m positif → image virtuelle et droite ; m négatif → image réelle et renversée. Remarque : la formule de la lentille a un signe moins et m = +v/u, alors que la formule du miroir a un signe plus et m = −v/u.

Vergence d'une lentille

Une lentille de courte distance focale dévie la lumière plus fortement. On mesure cela avec la vergence (en anglais « power ») :

P = 1/f (f en mètres)

Points d'examen : le tracé des rayons pour une lentille convexe (2 à 3 points), un calcul avec la formule de la lentille et le grandissement (3 points), et des questions sur la vergence / la dioptrie (1 à 2 points) tombent presque chaque année.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Trouve la vergence d'une lentille convexe de distance focale 50 cm.

f = +0,5 m. P = 1/f = 1/0,5 = +2 D.

2. Un opticien prescrit une lentille de vergence −2,5 D. Quel type de lentille est-ce et quelle est sa distance focale ?

Vergence négative → lentille concave. f = 1/P = 1/(−2,5) = −0,4 m = −40 cm.

3. Un objet est à 15 cm d'une lentille convexe de distance focale 10 cm. Trouve la position de l'image et le grandissement.

u = −15, f = +10. 1/v = 1/f + 1/u = 1/10 − 1/15 = (3 − 2)/30 = 1/30, donc v = +30 cm. m = v/u = 30/(−15) = −2. Image réelle, renversée, deux fois plus grande, à 30 cm de l'autre côté.

4. Un objet est à 10 cm d'une lentille convexe de distance focale 15 cm. Décris l'image.

u = −10, f = +15. 1/v = 1/15 − 1/10 = (2 − 3)/30 = −1/30, donc v = −30 cm. m = v/u = (−30)/(−10) = +3. Image virtuelle, droite, 3 fois plus grande, du même côté que l'objet : c'est une loupe.

5. Un objet est à 30 cm d'une lentille concave de distance focale 15 cm. Trouve l'image.

u = −30, f = −15. 1/v = −1/15 − 1/30 = (−2 − 1)/30 = −3/30, donc v = −10 cm. m = (−10)/(−30) = +1/3. Image virtuelle, droite, trois fois plus petite, à 10 cm de la lentille du côté de l'objet.

6. Une lentille convexe forme sur un écran, à 60 cm de la lentille, une image réelle 3 fois plus grande que l'objet. Trouve la distance de l'objet, la distance focale et la vergence.

Image réelle : v = +60 cm, m = −3. m = v/u → u = v/m = 60/(−3) = −20 cm. 1/f = 1/v − 1/u = 1/60 + 1/20 = 4/60, donc f = +15 cm. P = 100/15 ≈ +6,67 D.

7. Deux lentilles minces de vergence +2,5 D et −1,0 D sont accolées. Trouve la vergence et la distance focale de l'ensemble.

P = P₁ + P₂ = 2,5 − 1,0 = +1,5 D. f = 1/P = 1/1,5 ≈ 0,667 m ≈ 66,7 cm. L'ensemble se comporte comme une lentille convexe.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. Un rayon qui passe par le centre optique d'une lentille :
2. La formule de la lentille est :
3. La vergence d'une lentille concave de distance focale 20 cm est :
4. Pour obtenir avec une lentille convexe une image réelle de même taille que l'objet, l'objet doit être :
5. Une loupe utilise une lentille convexe avec l'objet :

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 de la lentille en classe de Class 10 ?

1/v − 1/u = 1/f, avec les distances mesurées depuis le centre optique selon la convention de signes cartésienne.

Qu'est-ce qu'une dioptrie ?

Une dioptrie est la vergence d'une lentille dont la distance focale est de 1 mètre. P = 1/f avec f en mètres.

Quelle est la différence entre une lentille convexe et une lentille concave ?

Une lentille convexe est plus épaisse au milieu, fait converger la lumière et a une distance focale et une vergence positives. Une lentille concave est plus mince au milieu, fait diverger la lumière et a une distance focale et une vergence négatives.

Où c'est enseigné

PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIIOptics
RomaniaClasa a VIII-aOptical phenomena
Ukraine9 класLight phenomena
CBSE (India)Class 10Natural Phenomena
FrancePremièrePhysics-chemistry — seeing and showing objects
FrancePremièreLab physical and chemical sciences (option)
FranceTerminaleLab sciences: Waves
Russia9 классLight phenomena
Russia9 классLight phenomena
China八年级(初二)Ch.5 Lenses

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