optique géométrique (PTSI) · Chapitre 4 · Application directe du cours
La carte des quatre natures
Lentilles minces dans l'approximation de Gauss · niveau 2
Énoncé
1) Pour une convergente de focale , étudier en fonction de pour entre et . Identifier les asymptotes de la courbe.
2) Délimiter sur la courbe les zones objet réel ou virtuel, image réelle ou virtuelle ; indiquer le signe de dans chacune.
3) Montrer que tout objet virtuel () donne une image réelle avec , droite et réduite. Comment réalise-t-on un objet virtuel en pratique ?
4) Construire l'image d'un objet virtuel situé en et vérifier par le calcul.
5) (Facultatif, Python.) Prolonger l'encadré numérique du cours pour dresser le tableau des natures.
Corrigé
La stratégie. La relation de Descartes donne comme une fonction homographique de ; l'étude de cette fonction (signe, asymptotes, monotonie) range d'un coup tous les cas de figure, au lieu de les apprendre un par un.
1) Une hyperbole. De , on tire
Le dénominateur s'annule pour : asymptote verticale en , objet au foyer objet, image rejetée à l'infini. Quand , : asymptote horizontale en , objet à l'infini, image au foyer image. La dérivée vaut : la fonction est croissante sur chacun de ses deux intervalles. La courbe est une hyperbole de centre , qui passe par l'origine (un objet sur la lentille est sa propre image).
2) Les zones. Objet réel : ; image réelle : ; .
- Objet réel au-delà de () : , image réelle, (renversée) ; c'est le domaine du projecteur et de l'appareil photographique.
- Objet réel entre et () : , image virtuelle, (droite, agrandie) ; c'est la loupe.
- Objet virtuel () : image réelle, (question 3).
- Image virtuelle d'un objet virtuel : aucune zone de la courbe ; une convergente ne la produit jamais.
3) L'objet virtuel. Pour , numérateur et dénominateur de sont positifs : , image réelle. Et car la fraction est inférieure à . Le grandissement vaut , compris entre et : image réelle, droite et réduite, entre et . En pratique, un objet virtuel est le point vers lequel converge un faisceau qu'on intercepte avant sa convergence : l'image réelle donnée par une première lentille, si l'on place la seconde avant cette image.
4) Construction pour . L'objet est virtuel : les rayons incidents se dirigent vers , situé après la lentille, à l'aplomb de . On utilise deux rayons dont le sort est connu. Le rayon dirigé vers en passant par n'est pas dévié : il continue vers . Le rayon dirigé vers parallèlement à l'axe frappe la lentille à la hauteur et émerge en passant par ; or est exactement au pied de , sur l'axe. Ces deux droites se coupent en . Par le calcul, la droite issue du point de la lentille de hauteur et passant par a pour équation , et le rayon par est ; ils se coupent en , à la hauteur . Un troisième rayon contrôle : celui qui passe par (en amont) et se dirige vers frappe la lentille à la hauteur et émerge parallèle à l'axe, à cette hauteur : il passe bien par .
Par Descartes : , donc et . L'image est réelle, droite, deux fois plus petite : on la recueillerait sur un écran à de la lentille.
5) Le tableau numérique. Le script suivant applique la relation de Descartes à huit positions de l'objet, réelles et virtuelles.
fp = 0.20 # focale image f' (m)
print(" OA (m) OA' (m) gamma objet image")
for OA in (-1.0, -0.40, -0.25, -0.15, -0.10, 0.10, 0.20, 1.0):
OAp = 1 / (1 / fp + 1 / OA) # relation de Descartes
g = OAp / OA
obj = "reel" if OA < 0 else "virtuel"
ima = "reelle" if OAp > 0 else "virtuelle"
print(f"{OA:6.2f} {OAp:7.3f} {g:6.2f} {obj:8s} {ima}")
Résultat obtenu en l'exécutant :
OA (m) OA' (m) gamma objet image
-1.00 0.250 -0.25 reel reelle
-0.40 0.400 -1.00 reel reelle
-0.25 1.000 -4.00 reel reelle
-0.15 -0.600 4.00 reel virtuelle
-0.10 -0.200 2.00 reel virtuelle
0.10 0.067 0.67 virtuel reelle
0.20 0.100 0.50 virtuel reelle
1.00 0.167 0.17 virtuel reelle
On y lit les trois zones : objet réel au-delà de , image réelle renversée qui s'éloigne quand l'objet s'approche de ; objet réel entre et , image virtuelle agrandie ; objet virtuel, image réelle droite réduite, toujours entre et . La ligne donne : le cas de la distance minimale objet-image.
Ce que l'exercice installe. Une fonction homographique, ses deux asymptotes et sa monotonie résument toutes les configurations d'une lentille : plutôt que d'apprendre cinq cas, on lit la courbe. Et l'objet virtuel cesse d'être une curiosité : c'est l'objet de toute seconde lentille.
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