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Optique géométrique CPGE.

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COURS 12 • PHYSIQUE CPGE

Réfléchir.
Réfracter. Former une image.

L’optique géométrique décrit la propagation des rayons lumineux, la réflexion, la réfraction, les lentilles minces et la formation des images. Le réflexe CPGE consiste à maîtriser signes, conventions, tracés et relations de conjugaison.

1. APPROXIMATION DE L’OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE

Modéliser la lumière par des rayons.

Rayon lumineux

Une ligne orientée représente localement la direction de propagation de l’énergie lumineuse.

Milieu homogène

Dans un milieu homogène et isotrope, les rayons sont rectilignes.

Indice

n = c / v

avec c vitesse de la lumière dans le vide et v dans le milieu.

Principe

L’optique géométrique est adaptée lorsque les dimensions du système sont grandes devant la longueur d’onde.

2. RÉFLEXION

Le rayon repart symétriquement par rapport à la normale.

i = r

L’angle d’incidence et l’angle de réflexion sont mesurés par rapport à la normale au dioptre.

3. LOI DE SNELL-DESCARTES

La réfraction à l’interface entre deux milieux.

n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂

Si le rayon passe vers un milieu d’indice plus élevé, il se rapproche de la normale.

Toujours mesurer les angles par rapport à la normale, jamais par rapport à la surface.
MZA OPTICS ENGINE

La méthode avant tout calcul.

01AXE
02ORIENTATION
03OBJET
04SYSTÈME
05CONJUGAISON
06IMAGE
4. RÉFLEXION TOTALE

Quand aucun rayon réfracté ne peut exister.

La réflexion totale est possible lors d’un passage d’un milieu d’indice n₁ vers un milieu d’indice n₂ avec n₁>n₂.

L’angle limite vérifie :

sin ilim = n₂ / n₁

pour n₁>n₂.

5. MIROIR PLAN

Une image virtuelle, droite et symétrique.

Position

L’image est symétrique de l’objet par rapport au miroir.

Nature

Pour un objet réel devant un miroir plan, l’image est virtuelle.

6. LENTILLES MINCES

Convergentes et divergentes.

Lentille convergente

Son foyer image F’ est réel dans la convention usuelle.

f’ > 0

Lentille divergente

Son foyer image F’ est virtuel.

f’ < 0
7. VERGENCE

Mesurer la puissance d’une lentille.

V = 1/f’

avec f’ exprimée en mètres.

L’unité de vergence est la dioptrie.

8. RELATION DE CONJUGAISON

Relier objet, image et foyer.

Dans une convention algébrique orientée, pour une lentille mince :

1/OA’ – 1/OA = 1/f’

La cohérence des signes est plus importante que la mémorisation brute.

9. GRANDISSEMENT

Comparer la taille de l’image à celle de l’objet.

γ = A’B’/AB

Pour une lentille mince :

γ = OA’/OA

Le signe de γ indique si l’image est droite ou renversée.

10. RAYONS PARTICULIERS

Tracer sans calcul lourd.

Rayon parallèle à l’axe

Après une lentille convergente, il passe par F’.

Rayon passant par O

Dans l’approximation de la lentille mince, il n’est pas dévié.

Rayon passant par F

Il ressort parallèle à l’axe.

11. OBJET RÉEL & IMAGE RÉELLE

Comprendre la géométrie avant les signes.

Une image réelle est formée par convergence réelle des rayons émergents. Elle peut être recueillie sur un écran.

Une image virtuelle correspond à l’intersection des prolongements des rayons.

12. FOYERS OBJET & IMAGE

Deux points fondamentaux d’un système centré.

Foyer objet F

Un objet placé en F donne une image à l’infini.

Foyer image F’

Un objet à l’infini donne une image dans le plan focal image.

13. ASSOCIATION DE LENTILLES MINCES

Construire des systèmes plus complexes.

Pour deux lentilles minces accolées :

Veq = V₁ + V₂

donc :

1/f’eq = 1/f’₁ + 1/f’₂
14. LOUPE

Créer une image virtuelle agrandie.

Une loupe est une lentille convergente utilisée avec un objet placé entre le foyer objet F et le centre optique O.

L’image obtenue est alors virtuelle, droite et agrandie.

15. APPAREIL PHOTOGRAPHIQUE

Former une image réelle sur un capteur.

L’objectif forme sur le capteur une image réelle, généralement renversée. La mise au point consiste à ajuster la position relative entre objectif et capteur.

16. ŒIL RÉDUIT

Un système optique convergent.

Rétine

Elle joue le rôle d’écran.

Accommodation

L’œil modifie sa puissance optique pour former l’image sur la rétine.

Myopie

Correction par une lentille divergente dans le modèle simple.

Hypermétropie

Correction par une lentille convergente dans le modèle simple.

17. EXERCICES PROGRESSIFS

Tracé d’abord, relation ensuite.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Réfraction

Un rayon passe de l’air à un verre d’indice n. Déterminer qualitativement s’il se rapproche ou s’éloigne de la normale.

Comparez les indices des deux milieux avant d’utiliser Snell-Descartes.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Lentille convergente

Un objet est placé au-delà de 2F devant une lentille convergente. Préciser qualitativement la position, la nature et la taille de l’image.

Commencez par un tracé avec les trois rayons particuliers.
NIVEAU 3

Exercice 3 — Conjugaison

Une lentille de focale f’ forme l’image A’ d’un objet A. Relier OA, OA’ et f’.

Utilisez la relation de conjugaison avec la convention algébrique choisie.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Deux lentilles

Deux lentilles minces L1 et L2 sont séparées d’une distance d. Un objet est placé devant L1. Construire l’image intermédiaire puis l’image finale.

Traitez successivement les deux systèmes : l’image donnée par L1 devient l’objet de L2.
18. PROBLEM LAB

Mission : concevoir un projecteur.

Situation

Une lentille convergente doit projeter sur un écran une image agrandie d’un petit objet. La focale f’ de la lentille est connue et la distance objet-écran est imposée.

Votre mission :

  1. identifier la nature de l’image recherchée ;
  2. déterminer la zone où doit se trouver l’objet par rapport à F et 2F ;
  3. écrire la relation de conjugaison ;
  4. exprimer le grandissement ;
  5. relier position de l’objet et position de l’écran ;
  6. étudier comment obtenir une image plus grande ;
  7. expliquer pourquoi l’image est renversée ;
  8. discuter l’effet d’une focale plus courte ;
  9. proposer une méthode de mise au point ;
  10. contrôler la cohérence géométrique par un tracé.
Une image projetable sur un écran doit être réelle. Pour obtenir une image réelle agrandie avec une lentille convergente, placez l’objet entre F et 2F.
Commencez par un tracé qualitatif, puis utilisez conjugaison et grandissement. Ne faites les calculs qu’après avoir prédit la nature et le sens de l’image.
MZA OPTICS CHECK

Les six réflexes d’optique.

ANORMALE
BINDICE
CFOYERS
DTRACÉ
ESIGNES
FIMAGE
19. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Optique géométrique CPGE.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. La loi de Snell-Descartes pour la réfraction s’écrit :
2. La vergence d’une lentille est :
3. Pour une lentille convergente :
4. Un rayon passant par le centre optique d’une lentille mince :
5. Une image réelle :
6. Pour deux lentilles minces accolées :
n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂

En optique géométrique, un bon tracé évite souvent une mauvaise équation.

Réflexion, réfraction, lentilles, conjugaison et grandissement doivent être traités avec une convention claire et une prédiction qualitative avant tout calcul.

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