L'optique géométrique au programme de Terminale étudie la propagation de la lumière à travers les milieux et les lentilles. Réfraction, lentilles et instruments optiques sont au programme du bac Physique-Chimie.
Génère tes propres fiches de Physique-Chimie en 10 secondes →
Lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu d'indice n₁ à un milieu d'indice n₂, il se réfracte selon la loi : n1⋅sin(θ1) = n2⋅sin(θ2), où θ1 et θ2 sont les angles d'incidence et de réfraction par rapport à la normale à la surface de séparation. Si n₂ > n₁ : le rayon se rapproche de la normale (θ2 < θ1).
Question probable
Un rayon passe de l'eau (n₁ = 1,33) vers l'air (n₂ = 1,00) avec un angle d'incidence θ1 = 25°. Calculer θ2.
Réponse
→n1⋅sin(θ1) = n2⋅sin(θ2) → 1,33 × sin(25°) = 1,00 ×sin(θ2) → sin(θ2) = 1,33 × 0,4226 = 0,5620 → θ2 = arcsin(0,5620) ≈ 34,2°. Le rayon s'éloigne de la normale en passant dans l'air (milieu moins dense). Si θ1 augmente davantage, θ2 peut atteindre 90° : c'est l'angle limite de réflexion totale interne.
Mnémotechnique
n1⋅sinθ1 = n2⋅sinθ2. Grand n → petit θ (proche de la normale). Milieu dense vers rare → θ augmente. "Snell : produit n⋅sinθ conservé à l'interface."
1 / 5
PHY
La réflexion totale interne
Définition
Quand un rayon passe d'un milieu dense (n₁ élevé) vers un milieu moins dense (n₂ < n₁), il existe un angle limite θlim tel que sin(θlim) = n₂/n₁. Si θ1 > θlim, il n'y a pas de rayon réfracté : tout le rayon est réfléchi (réflexion totale). Application : fibres optiques (n_cœur > n_gaine).
Question probable
Calculer l'angle limite de réflexion totale interne pour une fibre optique de cœur n₁ = 1,50 et de gaine n₂ = 1,45.
Réponse
→sin(θlim) = n₂/n₁ = 1,45/1,50 = 0,9667 → θlim = arcsin(0,9667) ≈ 75,2°. Tout rayon arrivant à l'interface cœur/gaine avec θ > 75,2° subit une réflexion totale interne et reste guidé dans la fibre. C'est le principe de la fibre optique utilisée en télécommunications et en endoscopie médicale.
Mnémotechnique
Réflexion totale : sin(θlim) = n₂/n₁ (n₁ > n₂). θ > θlim → tout réfléchi. Fibre optique : lumière piégée par réflexion totale répétée. "Dense → rare → risque de blocage total."
2 / 5
PHY
Les lentilles convergentes et divergentes
Définition
Lentille convergente (biconvexe, f' > 0) : fait converger les rayons parallèles vers le foyer image F' (à la distance focale f'). Lentille divergente (biconcave, f' < 0) : fait diverger les rayons. La vergence V = 1/f' (en dioptries, δ). Rayons particuliers : rayon parallèle → passe par F' ; rayon par F → sort parallèle ; rayon par le centre optique O → non dévié.
Question probable
Décrire la construction de l'image d'un objet réel placé entre F et une lentille convergente de focale f' = 10 cm.
Réponse
→Rayon 1 : parallèle à l'axe → passe par F' (à 10 cm derrière la lentille). Rayon 2 : passe par le centre O → non dévié. Ces deux rayons divergent après la lentille : leur prolongement se coupe du même côté que l'objet → image virtuelle, droite, agrandie. C'est le principe de la loupe. L'image virtuelle est vue de l'autre côté de la lentille par rapport à l'observateur.
Mnémotechnique
Convergente : f' > 0, V > 0. Objet avant F → image virtuelle, droite, agrandie (loupe). Objet après F → image réelle, renversée. Trois rayons : parallèle, par F, par O.
3 / 5
PHY
La relation de conjugaison et le grandissement
Définition
Pour une lentille mince de vergence V = 1/f' (f' en mètres) : relation de conjugaison algébrique : 1/OA' − 1/OA = 1/f' = V, où OA est la distance algébrique objet-lentille et OA' la distance algébrique image-lentille. Le grandissement transversal : γ = OA'/OA = A'B'/AB. γ > 0 : image droite. γ < 0 : image renversée. ∣γ∣ > 1 : image agrandie.
Question probable
Un objet est placé à OA = −30 cm d'une lentille convergente de focale f' = 20 cm. Calculer la position et le grandissement de l'image.
Réponse
→1/OA' = 1/OA + 1/f' = 1/(−30) + 1/20 = −1/30 + 1/20 = −2/60 + 3/60 = 1/60 → OA' = +60 cm. Image réelle (OA' > 0) à 60 cm derrière la lentille. Grandissement : γ = OA'/OA = 60/(−30) = −2. Image renversée (γ < 0) et agrandie (∣γ∣ = 2 > 1). La taille de l'image est le double de celle de l'objet.
La loupe : lentille convergente, objet entre F et la lentille → image virtuelle agrandie. Le microscope : deux lentilles convergentes (objectif + oculaire) permettent des grossissements très élevés. La lunette astronomique : objectif de grande focale + oculaire, pour observer les objets à l'infini. La vergence totale de deux lentilles accolées : V_tot = V₁ + V₂.
Question probable
Expliquer le principe de la lunette astronomique afocale en utilisant les rayons particuliers.
Réponse
→La lunette afocale est réglée pour un objet à l'infini et une image à l'infini (observateur œil au repos). Objectif (grande focale f'_obj) : les rayons parallèles venant de l'objet à l'infini convergent au foyer image F'_obj. Oculaire (courte focale f'_oc) : F'_obj coïncide avec le foyer objet F_oc de l'oculaire. Les rayons ressortent parallèles → image à l'infini. Grossissement : G = f'_obj/f'_oc (sans unité). Longueur de la lunette : f'_obj + f'_oc.