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Chapitre 15 — La lumière : images et couleurs

Lentille convergente, conjugaison, grandissement, œil et synthèses des couleurs.

Progression du chapitre

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Introduction

Ce que tu vas apprendre. Comprendre la formation des images par une lentille mince convergente (relation de conjugaison, grandissement) et la vision des couleurs (synthèses additive et soustractive, couleur des objets).

Pourquoi c'est important. L'œil, l'appareil photo, le microscope et les écrans reposent sur ces principes. C'est un chapitre très présent au bac de Première, avec des calculs simples mais rigoureux.

Où on l'utilise. Correction de la vue, objectif photo, vidéoprojecteur, écrans RGB, imprimerie CMJ, peinture.

À la fin du chapitre, tu sauras :
  • Construire l'image d'un objet par une lentille convergente
  • Appliquer la relation de conjugaison et le grandissement
  • Distinguer synthèse additive et soustractive
  • Prévoir la couleur perçue d'un objet éclairé
Lentille convergente→Conjugaison et grandissement→L'œil→Couleurs
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Chapitre complet

La lentille mince convergente

Une lentille convergente (plus épaisse au centre) fait converger les rayons. Elle possède un centre optique O, un foyer objet F et un foyer image F', symétriques par rapport à O. La distance focale f' = OF' (en m) et la vergence V = 1/f' (en dioptries δ).

  • Un rayon passant par O n'est pas dévié
  • Un rayon parallèle à l'axe ressort en passant par F'
  • Un rayon passant par F ressort parallèle à l'axe

Construire une image

On trace deux des trois rayons particuliers issus du point B de l'objet : leur intersection donne B', image de B. A' est sur l'axe, à la verticale de B'.

Relation de conjugaison et grandissement

Image par une lentille convergente (interactive)
FF'OABA'B'

f' = 10 cm · OA' = 15.0 cm · γ = -0.50 → image réelle, renversée, réduite

Déplace l'objet : le rayon parallèle à l'axe passe par F', le rayon passant par O n'est pas dévié. Leur intersection donne B'.

Avec des distances algébriques (orientées dans le sens de la lumière, origine O) : 1/OA' − 1/OA = 1/f'. Un objet réel est à gauche : OA < 0.

1OA' − 1OA = 1f'

γ = A'B'AB = OA'OA

Le grandissement γ indique la taille et le sens : |γ| > 1 image agrandie, γ < 0 image renversée.

Exemple · f' = 5,0 cm, OA = −15 cm : 1/OA' = 1/5 − 1/15 = 2/15 ⇒ OA' = 7,5 cm ; γ = 7,5/(−15) = −0,50 : image réelle, renversée, deux fois plus petite.

L'œil, un système optique

L'œil se modélise par une lentille convergente (cristallin), un diaphragme (iris) et un écran (rétine) à distance fixe. Pour voir net des objets proches, le cristallin se bombe : sa vergence augmente, c'est l'accommodation.

Exemple · Un appareil photo fonctionne pareil, mais c'est la distance objectif-capteur qui varie pour faire la mise au point.

Synthèses des couleurs et couleur des objets

Synthèse additive (écrans, projecteurs) : on superpose des lumières rouge, verte et bleue. R + V = jaune, R + B = magenta, V + B = cyan, R + V + B = blanc.

Synthèse soustractive (filtres, encres, peintures) : chaque filtre ou pigment absorbe certaines couleurs. Cyan absorbe le rouge, magenta absorbe le vert, jaune absorbe le bleu. Cyan + magenta + jaune = noir.

Un objet diffuse les couleurs qu'il n'absorbe pas. Sa couleur perçue dépend donc de la lumière qui l'éclaire.

Exemple · Une tomate (rouge) éclairée en lumière verte paraît noire : elle absorbe le vert et ne reçoit pas de rouge à diffuser.

Couleurs complémentaires

Deux couleurs sont complémentaires si leur synthèse additive donne du blanc : rouge/cyan, vert/magenta, bleu/jaune.

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Définitions importantes

Foyer image F'
Point où convergent les rayons arrivant parallèles à l'axe optique.
Distance focale f'
Distance algébrique OF', en m.
Vergence V
V = 1/f', en dioptries (δ = m⁻¹).
Grandissement γ
Rapport A'B'/AB = OA'/OA, sans unité.
Accommodation
Augmentation de la vergence du cristallin pour voir net un objet proche.
Synthèse additive
Obtention de couleurs par superposition de lumières colorées (RVB).
Synthèse soustractive
Obtention de couleurs par absorption de lumières (filtres, pigments CMJ).
Couleurs complémentaires
Couleurs dont la synthèse additive donne du blanc.
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Formules à connaître

Relation de conjugaison

1OA' − 1OA = 1f'

OAposition de l'objet (algébrique)m
OA'position de l'image (algébrique)m
f'distance focalem

Quand l'utiliser : Position de l'image par une lentille mince.

Conditions : Distances algébriques, objet réel : OA < 0.

Grandissement

γ = A'B'AB = OA'OA

γgrandissementsans unité
A'B', ABtailles algébriquesm

Quand l'utiliser : Taille et sens de l'image.

Vergence

V = 1f'

Vvergenceδ (m⁻¹)
f'distance focalem

Quand l'utiliser : Caractériser une lentille (lunettes).

Exemple : f' = 25 cm ⇒ V = 4,0 δ.

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Méthodes à connaître

Utiliser la relation de conjugaison

  1. Orienter l'axe dans le sens de la lumière
  2. Écrire les distances algébriques (objet réel : OA < 0)
  3. Calculer 1/OA' = 1/f' + 1/OA
  4. Inverser pour obtenir OA'
  5. Calculer γ puis A'B' = γ × AB

Prévoir la couleur d'un objet

  1. Décomposer la lumière incidente en R, V, B
  2. Retirer les couleurs absorbées par l'objet
  3. Additionner les couleurs diffusées restantes
  4. Aucune couleur restante ⇒ noir
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Exemple guidé

Un objet AB de 2,0 cm est placé à 30 cm devant une lentille de vergence +5,0 δ. Déterminer la position, la taille et le sens de l'image.

Données

  • V = 5,0 δ
  • OA = −0,30 m
  • AB = 2,0 cm

Ce qu'on cherche

OA', A'B', nature de l'image.

Raisonnement

  1. f' = 1/V
  2. Relation de conjugaison
  3. Grandissement

Formules utilisées

f' = 1V1OA' = 1f' + 1OAγ = OA'OA

Calculs

f' = 1/5,0 = 0,20 m

1/OA' = 5,0 + 1/(−0,30) = 5,0 − 3,33 = 1,67 m⁻¹

OA' = 0,60 m

γ = 0,60 / (−0,30) = −2,0 ; A'B' = −2,0 × 2,0 = −4,0 cm

Résultat

Image à 60 cm après la lentille, 4,0 cm, renversée

Conclusion

L'image est réelle (OA' > 0), renversée et deux fois plus grande : c'est le principe du projecteur.

La méthode à retenir

f' en mètres, signes algébriques soignés, puis γ.
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⚠️ Les erreurs à éviter

✗ Prendre OA positif pour un objet réel

Pourquoi : L'objet est avant la lentille.

✓ OA < 0.

✗ Mélanger cm et m avec la vergence

Pourquoi : V est en m⁻¹.

✓ Tout convertir en mètres.

✗ Confondre synthèses additive et soustractive

Pourquoi : R + V = jaune en lumière, pas en peinture.

✓ Lumières → additive ; filtres/pigments → soustractive.

✗ Penser qu'un objet a une couleur fixe

Pourquoi : Elle dépend de l'éclairage.

✓ Raisonner sur les couleurs diffusées.

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À retenir

Notions essentielles

  • • Rayons particuliers
  • • Image réelle/renversée
  • • Accommodation
  • • Synthèses additive/soustractive

Formules

  • • 1/OA' − 1/OA = 1/f'
  • • γ = OA'/OA
  • • V = 1/f'

Unités

  • • m
  • • δ = m⁻¹

Méthodes

  • • Conjugaison
  • • Couleur perçue
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Quiz de fin de chapitre

Question 1 / 5

Un rayon passant par le centre optique est…

Question 2 / 5

f' = 20 cm : V = ?

Question 3 / 5

Un grandissement négatif signifie une image renversée.

Question 4 / 5

Rouge + vert en synthèse additive donne…

Question 5 / 5

Quels couples sont complémentaires ?

Plusieurs réponses sont possibles.

Réponds à toutes les questions pour valider.