Foyer principal objet (F)
Le foyer principal objet F est un point situé sur l'axe optique, tel que tout rayon lumineux passant par F ressort de la lentille parallèle à l'axe optique.
Foyer principal image (F')
Le foyer principal image F' est un point situé sur l'axe optique, tel que tout rayon lumineux arrivant parallèlement à l'axe optique sur la lentille converge (pour une lentille convergente) ou semble diverger (pour une lentille divergente) vers F'.
Centre optique (O)
Le centre optique O est le point central de la lentille. Tout rayon lumineux passant par O n'est pas dévié.
Lentilles minces convergentes et divergentes
Les lentilles minces sont des composants optiques qui modifient la trajectoire des rayons lumineux. Elles sont classées en deux grandes catégories : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes. Leur comportement est opposé mais leurs propriétés sont complémentaires.
Règles de tracé des rayons lumineux
Pour déterminer la position et la taille d'une image formée par une lentille, on utilise le tracé de rayons lumineux. Il suffit de tracer au moins deux des trois rayons dits 'caractéristiques' pour localiser l'image. Voici ces règles pour une lentille convergente (les règles pour une lentille divergente sont similaires mais les rayons semblent diverger des foyers) :
- Rayon passant par le centre optique (O) : Il n'est pas dévié.
- Rayon arrivant parallèle à l'axe optique : Après avoir traversé la lentille, il passe par le foyer principal image F'.
- Rayon passant par le foyer principal objet (F) : Après avoir traversé la lentille, il ressort de la lentille parallèle à l'axe optique.
La distance focale (f et f')
La distance focale est une caractéristique fondamentale d'une lentille. C'est la distance entre le centre optique O et les foyers F et F'. Pour une lentille convergente, la distance focale $f$ est positive et F' est à droite de la lentille. Pour une lentille divergente, $f$ est négative et F' est à gauche de la lentille. On a toujours OF = OF' = |f|.
Formule de conjugaison
où $\overline{OA}$ est la position de l'objet, $\overline{OA'}$ la position de l'image, et $f'$ la distance focale de la lentille. Ces valeurs sont des mesures algébriques (positives ou négatives selon leur position par rapport au centre optique O).
Formation des images
La position de l'objet par rapport à la lentille et à ses foyers détermine les caractéristiques de l'image (réelle ou virtuelle, droite ou inversée, agrandie ou réduite). Une image est réelle si elle peut être recueillie sur un écran (rayons qui convergent) et virtuelle si elle ne peut pas (rayons qui divergent mais semblent provenir d'un point).
Pour une lentille convergente, si l'objet est placé avant F (distance à la lentille > f), l'image est réelle et inversée. Si l'objet est entre F et O, l'image est virtuelle et droite.
A retenir :
Résumé des notions clés
- Les lentilles minces sont convergentes ou divergentes.
- Les points caractéristiques sont le centre optique (O), le foyer objet (F) et le foyer image (F').
- Trois rayons caractéristiques permettent de tracer l'image : celui passant par O (non dévié), celui parallèle à l'axe optique (passe par F' après la lentille), et celui passant par F (ressort parallèle à l'axe après la lentille).
- La distance focale $f'$ est une caractéristique de la lentille, reliant O à F et F'.
- La nature (réelle/virtuelle), le sens (droit/inversé) et la taille (agrandie/réduite) de l'image dépendent de la position de l'objet par rapport aux foyers.
- La formule de conjugaison $1/f' = 1/\overline{OA'} - 1/\overline{OA}$ permet de calculer les positions.