Formation d'images par les lentilles

Comment une image se forme-t-elle lorsqu'on utilise des lentilles ?

Les lentilles fonctionnent en utilisant la réfraction de la lumière.

La lumière est réfractée lorsqu'elle interagit avec la lentille parce qu'elle se déplace dans l'air et dans la lentille à des vitesses différentes . Selon la forme de la lentille, la lumière d'un objet peut converger vers un point ou en diverger, formant ainsi une image.

Types d'images formées par les lentilles

Nous pouvons classer les images formées par les lentilles comme étant réelles ou virtuelles.

Types d'images formées par les lentilles : Images réelles

Une image réelle peut être projetée sur un écran.

Types d'images formées par les lentilles : Images virtuelles

Nous ne pouvons pas projeter d'images virtuelles car les rayons lumineux d'une image virtuelle ne convergent pas.

L'une des propriétés les plus importantes d'une image est son grossissement.

Nous pouvons mesurer le grossissement à l'aide de la formule suivante.

$\text{magnification =}\frac{\text{image height}}{\text{object height}}$

Comme le grossissement est un rapport, il n'a pas d'unité.

Formation d'images par des lentilles convexes

Une lentille convexe est incurvée ou arrondie vers l'extérieur.

Les rayons lumineux parallèles à l'axe principal convergent au foyer, StudySmarter Originals.

Note que la lumière se réfracte lorsqu'elle passe de l'air à la lentille et de nouveau lorsqu'elle retourne dans l'air. Comme nous pouvons utiliser la lentille dans les deux sens, nous pouvons identifier deux foyers à la même distance du centre géométrique de la lentille - également appelé centre optique. La distance entre le centre de la lentille et son foyer est appelée distance focale .

La longueur focale est la distance entre le foyer et le centre géométrique de la lentille. Originaux de StudySmarter

Nous pouvons comprendre comment les lentilles convexes forment des images à l'aide des diagrammes de rayons. Les diagrammes de rayons considèrent que les rayons lumineux ne se réfractent qu'en un seul point et utilisent une représentation plus simple pour la lentille. Tu trouveras ci-dessous un diagramme de rayons représentant la même lentille convexe que précédemment. Nous pouvons étiqueter les foyers comme$F_1$et$F_2$.

Dans un diagramme de rayons, une lentille convexe est représentée à l'aide d'un segment de droite dont les extrémités sont munies de deux flèches pointant vers l'extérieur. Originaux StudySmarter

En général, une lentille convergente est plus épaisse au milieu.

Les lentilles convergentes sont plus épaisses au milieu que sur les bords, StudySmarter Originals

Règles de formation des images par les lentilles convexes

Le comportement des rayons lumineux qui traversent une lentille convexe peut se résumer à trois règles de base.

1. Les rayons lumineux parallèles à l'axe principal se réfractent en passant par le foyer de l'autre côté.
2. Les rayons lumineux qui passent par le centre optique ne dévient pas.
3. Les rayons lumineux qui passent par le foyer se réfractent parallèlement à l'axe principal.

Le comportement des rayons lumineux traversant une lentille convexe peut être simplifié en considérant trois cas particuliers. StudySmarter Originals

Exemples de formation d'images par des lentilles convexes

Nous pouvons avoir différents types de formation d'images lorsque nous utilisons une lentille convexe. Les propriétés des images formées dépendent de la distance de l'objet,$O$. Nous pouvons distinguer cinq cas :

1. L'objet se trouve au-delà de deux distances focales$(O>2{\mathrm{F}}_2)$.
2. L'objet se trouve exactement à deux distances focales$(O=2{\mathrm{F}}_2)$.
3. L'objet se trouve entre une et deux distances focales$({\mathrm{F}}_2<O<2{\mathrm{F}}_2)$.
4. L'objet au foyer$(O={\mathrm{F}}_2)$.
5. L'objet se trouve entre le foyer et la lentille$(O<{\mathrm{F}}_2)$.

Cas 1 : Objet placé au-delà de deux distances focales

Nous pouvons trouver la position de l'image en traçant deux rayons lumineux à partir du haut de l'objet. Le sommet de l'image sera l'endroit où ces rayons se rencontrent. Traçons deux rayons lumineux en utilisant les règles 1 et 3.

Formation de l'image par une lentille convexe pour un objet placé au-delà de deux distances focales. Adapté de Kvr.lohith (CC BY-SA 4.0)

Dans ce cas, l'image est :

• Réelle
• Diminuée
• Inversée
• Formée au-delà du foyer mais avant deux distances focales.

C'est le même exemple de formation d'image que sur la photo montrant l'image d'une maison au début de l'article !

Cas 2 : objet placé exactement à deux distances focales.

Répétons la même procédure. Pour ce cas, l'image est :

• Réelle et inversée
• De la même taille que l'objet
• Formée à exactement deux distances focales

Formation de l'image par une lentille convexe pour un objet à 2F1 Adapté de Kvr.lohith (CC BY-SA 4.0)

Cas 3 : objet placé entre une et deux distances focales.

Dans ces conditions, l'image est :

• Réelle
• Inversée
• agrandie
• Formée au-delà de deux distances focales

Formation de l'image par une lentille convexe pour un objet placé entre F2 et 2F2. Adapté de Kvr.lohith (CC BY-SA 4.0)

Cas 4 : objet placé au foyer

Ce cas est particulier. Les rayons lumineux sont parallèles après réfraction et ne se croisent jamais. Par conséquent, on dit que l'image se forme à l'infini.

Formation de l'image par une lentille convexe pour un objet placé à F2 sur l'axe principal. Adapté de Kvr.lohith (CC BY-SA 4.0)

L'image formée sera :

• Réelle
• Inversée
• Très agrandie
• Formée à l'infini

Cas 5 : Objet placé entre le foyer et la lentille.

Dans ce cas, les rayons réfractés ne se croisent pas et s'éloignent les uns des autres. Cependant, si nous prolongeons les rayons lumineux vers l'arrière, ils se croisent derrière l'objet. Il s'agit d'un autre type de formation d'image. Les rayons lumineux semblent provenir de l'arrière de l'objectif. Comme les rayons lumineux ne se croisent pas vraiment, l'image est virtuelle.

Formation d'une image par une lentille convexe pour un objet placé entre F2 et le centre optique. Adapté de Kvr.lohith (CC BY-SA 4.0)

Dans ce cas, l'image produite sera :

• Virtuelle et droite
• agrandie
• Derrière l'objet

Les loupes sont une application de ce cas. C'est pourquoi elles permettent de réaliser des images agrandies. C'est le même exemple de formation d' imageque sur la photo de l'image du timbre au début de l'article !

Corriger l'hypermétropie avec des verres convexes

Lorsque nous voyons un objet, sa lumière traverse une structure transparente dans nos yeux - la cornée - puis un cristallin. Nos yeux ajustent l'épaisseur de ce cristallin de façon à ce que les rayons lumineux convergent exactement vers la rétine, où se trouvent des cellules spéciales jouant le rôle de récepteurs de lumière. Cependant, des problèmes oculaires spécifiques peuvent affecter ce processus.

Les yeux d'une personne atteinte d'hypermétropie font converger les rayons lumineux des objets proches derrière la rétine, percevant ainsi une image floue.

Une personne atteinte d'hypermétropie voit les objets proches flous car leur lumière converge derrière la rétine, StudySmarter Originals.

Cette condition peut être corrigée en utilisant une lentille convergente qui aide les yeux à faire converger les rayons lumineux à une distance plus courte, ce qui leur permet de se concentrer sur la rétine.

Les lentilles convexes aident à faire converger les rayons lumineux pour que les yeux puissent former l'image sur la rétine, StudySmarter Originals

Formation de l'image par les lentilles concaves

Les lentilles concaves sont creusées ou arrondies vers l'intérieur. L'image suivante illustre la dispersion des rayons lumineux passant à travers une lentille concave.

Une lentille concave fait diverger les rayons lumineux. Originaux de StudySmarter

Le diagramme de rayons suivant représente la même situation.

Dans un diagramme de rayons, une lentille concave est représentée à l'aide d'un segment de droite dont les extrémités sont munies de deux pointes de flèches dirigées vers l'intérieur. StudySmarter Originals

En général, une lentille divergente est plus épaisse sur ses bords.

Les lentilles divergentes peuvent avoir différentes formes, mais elles sont plus minces au milieu que sur les bords, StudySmarter Originals.

Règles pour la formation d'images par des lentilles concaves

Nous pouvons résumer le comportement des rayons lumineux traversant des lentilles concaves en trois règles.

1. Les rayons lumineux parallèles à l'axe principal divergent en semblant provenir du foyer.
2. Les rayons lumineux passant par le centre optique ne dévient pas.
3. Les rayons lumineux qui se dirigent vers le foyer se réfractent en se déplaçant parallèlement à l'axe principal.

Le comportement des rayons lumineux traversant une lentille concave peut être simplifié en considérant trois cas particuliers. StudySmarter Originals

Exemple de formation d'image par des lentilles concaves

Regarde l'image ci-dessous pour un objet situé entre une et deux distances focales. En traçant deux rayons selon les règles précédentes, nous pouvons voir que les rayons lumineux semblent se croiser devant l'objet.

Formation de l'image par une lentille concave. Kvr.lohith (CC BY-SA 4.0)

L'image formée par la lentille concave est :

• Virtuelle et droite
• Diminuée
• Formée entre l'objet et la lentille

Pour une lentille concave, la position de l'objet n'a pas d'importance. On obtient toujours le même type de formation d'image car les propriétés de l'image sont toujours les mêmes.

Corriger la myopie avec des lentilles concaves

Les yeux d'une personne atteinte de myopie font converger les rayons lumineux devant la rétine, ce qui donne une image floue.

Une personne atteinte de myopie fait converger les rayons lumineux des objets éloignés devant la rétine. Originaux de StudySmarter

Nous pouvons corriger cela à l'aide de lentilles concaves. Ces lentilles dispersent les rayons lumineux afin que les yeux puissent faire converger la lumière vers la rétine.

Les lentilles concaves aident à disperser les rayons lumineux pour que les yeux puissent les faire converger vers la rétine, StudySmarters Originals