Physique · Terminale · Ondes et signaux

Former des images : la lunette astronomique

1. Pourquoi une lunette ?
🎯 Objectif bac : modéliser une lunette astronomique afocale et exploiter \(G = f'_1/f'_2\)

Un objet très éloigné (la Lune, une planète) ne paraît pas « petit » parce qu'il l'est, mais parce qu'on le voit sous un petit angle. Pour voir plus de détails, il ne faut pas agrandir l'objet : il faut agrandir l'angle sous lequel l'œil le voit. C'est exactement ce que fait une lunette astronomique.

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Les cratères de la Lune
À l'œil nu, un cratère de 90 km est invisible. Avec une petite lunette de grossissement 36, il apparaît nettement.
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Les lunes de Jupiter
En 1610, Galilée découvre les quatre grands satellites de Jupiter avec une lunette de grossissement… 20 seulement.
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La longue-vue
Même principe pour observer un bateau au large ou un oiseau : l'objet est « à l'infini », l'œil observe sans accommoder.
👁️
Le confort de l'œil
Un œil normal voit net un objet à l'infini sans effort. La lunette afocale renvoie l'image à l'infini : on peut observer longtemps sans fatigue.
Idée directrice du chapitre : un objectif de grande focale forme une image intermédiaire de l'astre, puis un oculaire de petite focale joue le rôle de loupe et renvoie cette image à l'infini, sous un angle beaucoup plus grand.
2. Rappels : la lentille mince convergente
🎯 Objectif bac : construire une image et utiliser la relation de conjugaison (acquis de 1re)

Une lentille mince convergente de centre optique O est caractérisée par sa distance focale \(f' = \overline{OF'} > 0\) (ou sa vergence \(V = 1/f'\) en dioptries, \(\delta = \mathrm{m^{-1}}\)). Pour construire l'image A′B′ d'un objet AB, on utilise trois rayons particuliers :

O F F′ A B A′ B′ ① parallèle à l'axe → passe par F′ ② par O → non dévié ③ par F → émerge parallèle à l'axe
Objet placé à 2f′ de la lentille : l'image est réelle, renversée, de même taille (γ = −1).
a
Relation de conjugaison (mesures algébriques, axe orienté dans le sens de la lumière) :
\(\dfrac{1}{\overline{OA'}} - \dfrac{1}{\overline{OA}} = \dfrac{1}{f'}\)
b
Grandissement : \(\gamma = \dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}\). Si \(\gamma < 0\) l'image est renversée ; si \(|\gamma| > 1\) elle est agrandie.
c
Deux cas limites essentiels pour la lunette :
• objet à l'infini (\(\overline{OA}\to-\infty\)) ⟹ \(\overline{OA'} = f'\) : l'image se forme dans le plan focal image ;
• objet dans le plan focal objet (\(\overline{OA} = -f'\)) ⟹ \(1/\overline{OA'} = 0\) : l'image est rejetée à l'infini.
Un faisceau de rayons parallèles entre eux (objet à l'infini) converge en un point du plan focal image. Réciproquement, des rayons issus d'un même point du plan focal objet ressortent parallèles entre eux.
3. Le modèle de la lunette astronomique afocale
🎯 Objectif bac : construire le trajet d'un faisceau et positionner l'image intermédiaire

La lunette est modélisée par deux lentilles minces convergentes de même axe optique :

1
L'objectif L₁, tourné vers l'astre, de grande distance focale \(f'_1\) (souvent 50 cm à 1 m). L'astre étant à l'infini, il en donne une image intermédiaire A₁B₁ réelle et renversée, située dans son plan focal image (en F′₁).
2
L'oculaire L₂, côté œil, de petite distance focale \(f'_2\) (quelques cm). Il fonctionne comme une loupe : il observe l'image intermédiaire A₁B₁.
3
Pour que l'image finale soit à l'infini (observation sans accommodation), A₁B₁ doit être dans le plan focal objet de l'oculaire. D'où la condition afocale :
\(F'_1 = F_2 \quad\Longleftrightarrow\quad \overline{O_1O_2} = f'_1 + f'_2\)
Un objet à l'infini donne une image à l'infini : le système n'a pas de foyer, il est dit afocal.
L₁ objectif L₂ oculaire F′₁ = F₂ B₁ A₁ α α′ f′₁ f′₂
Faisceau issu du bord de l'astre (angle α, exagéré) : il converge en B₁ dans le plan focal commun, puis ressort parallèle, inversé, sous un angle α′ plus grand.
Méthode de construction : 1) le rayon passant par O₁ n'est pas dévié et donne B₁ dans le plan focal ; 2) tous les rayons du faisceau passent par B₁ ; 3) après l'oculaire, ils ressortent parallèles au rayon B₁O₂ (qui, lui, n'est pas dévié).
4. La lunette en direct

Règle les distances focales de l'objectif et de l'oculaire, ainsi que le diamètre apparent de l'astre. La lunette reste afocale : l'oculaire est toujours placé à \(f'_1 + f'_2\) de l'objectif.

Lunette astronomique afocale — tracé de rayons
objectif L₁ ◄ ─── f′₁ ─── ► plan focal commun ◄ f′₂ ► oculaire L₂ → œil
ce que voit l'œil
Distances à l'échelle (le tube s'allonge avec f′₁ et f′₂) ; angles exagérés d'un même facteur pour rester visibles. Les valeurs affichées sont calculées avec les vraies valeurs. En bas : la Lune vue à l'œil nu et à travers la lunette (image renversée).
5. Établir le grossissement \(G = f'_1/f'_2\)
🎯 Objectif bac : définir le grossissement et établir son expression

Le grossissement compare l'angle sous lequel on voit l'objet à travers l'instrument (α′) à l'angle sous lequel on le voit à l'œil nu (α) :

\(G = \dfrac{\alpha'}{\alpha}\)   (sans unité)
a
Le rayon issu du bord B de l'astre et passant par O₁ n'est pas dévié. Il atteint le plan focal en B₁. Dans le triangle rectangle O₁A₁B₁ :
\(\tan\alpha = \dfrac{A_1B_1}{f'_1} \;\Rightarrow\; \alpha \approx \dfrac{A_1B_1}{f'_1}\)
(approximation des petits angles, α en radian).
b
Le rayon issu de B₁ et passant par O₂ n'est pas dévié : il donne la direction de sortie de tout le faisceau. Dans le triangle O₂A₁B₁ (avec \(A_1 = F_2\)) :
\(\tan\alpha' = \dfrac{A_1B_1}{f'_2} \;\Rightarrow\; \alpha' \approx \dfrac{A_1B_1}{f'_2}\)
c
On fait le rapport, A₁B₁ se simplifie :
\(G = \dfrac{\alpha'}{\alpha} = \dfrac{f'_1}{f'_2}\)
Pour un fort grossissement : un objectif de grande focale et un oculaire de petite focale. Changer d'oculaire permet donc de changer de grossissement.
⚠️ Piège classique : G n'est pas un grandissement γ. γ compare deux tailles (image/objet), G compare deux angles. Pour un objet à l'infini, parler de taille n'a pas de sens : on raisonne en diamètre apparent.
Tableau de synthèse — rôle de chaque élément
ÉlémentFocaleObjetImage
Objectif L₁grande (\(f'_1\))astre AB à l'infiniA₁B₁ réelle, renversée, en F′₁
Oculaire L₂petite (\(f'_2\))A₁B₁ dans son plan focal objet F₂A′B′ à l'infini
Lunette complète\(\overline{O_1O_2}=f'_1+f'_2\)à l'infini, vu sous αà l'infini, renversée, vue sous \(\alpha' = G\alpha\)
L'image finale est renversée : sans importance pour la Lune ou Jupiter, mais gênant pour observer un paysage (d'où les prismes redresseurs des jumelles).
✅ Quiz d'étape — le modèle de la lunette

1. Un objet à l'infini est observé à travers une lentille convergente. Son image se forme :

2. La lunette est afocale lorsque :

3. f′₁ = 80 cm et f′₂ = 4,0 cm. La longueur O₁O₂ de la lunette vaut :

🔍 Questions guidées — exploiter le simulateur

Utilise les curseurs du simulateur ; la correction se dévoile à la demande.

🎓 Exercice type bac — corrigé détaillé

Choisir un oculaire pour observer les cratères de la Lune.

Observer le cratère Copernic
D'après un sujet de type baccalauréat · durée conseillée 30 min · calculatrice autorisée
Situation. Un club d'astronomie dispose d'une lunette dont l'objectif a une distance focale \(f'_1 = 900\ \text{mm}\), et de deux oculaires : \(f'_2 = 25\ \text{mm}\) et \(f'_2 = 10\ \text{mm}\). La lunette est réglée en position afocale.
Données. Distance Terre-Lune : \(D = 3{,}84\times10^{5}\ \text{km}\) ; diamètre de la Lune : \(d_L = 3{,}47\times10^{3}\ \text{km}\) ; diamètre du cratère Copernic : \(d_C = 93\ \text{km}\). Pouvoir séparateur de l'œil : deux points sont distingués s'ils sont vus sous un angle supérieur à \(\varepsilon = 3{,}0\times10^{-4}\ \text{rad}\). Pour les petits angles : \(\tan\alpha \approx \alpha\) (en rad).
Partie 1 — La lunette
  1. Donner la condition afocale et en déduire la longueur du tube avec l'oculaire de 25 mm.
  2. Faire un schéma de la lunette et représenter le trajet d'un faisceau de rayons parallèles issu du bord de la Lune. Placer l'image intermédiaire A₁B₁.

1. Condition afocale : le foyer image de l'objectif est confondu avec le foyer objet de l'oculaire, \(F'_1 = F_2\). Donc \(\overline{O_1O_2} = f'_1 + f'_2 = 900 + 25 = 925\ \text{mm}\), soit 92,5 cm.

2. Le faisceau incliné de α converge en B₁, point du plan focal image de L₁ situé sur le rayon non dévié passant par O₁. A₁B₁ est réelle et renversée, située en F′₁ = F₂. Après L₂, les rayons ressortent parallèles au rayon B₁O₂ (voir le schéma de la section 3).

Partie 2 — La Lune entière
  1. Calculer le diamètre apparent α de la Lune vue à l'œil nu.
  2. Calculer la taille de l'image intermédiaire A₁B₁ de la Lune.
  3. Calculer le grossissement G avec l'oculaire de 25 mm, puis l'angle α′. La Lune entière est-elle visible dans l'oculaire, sachant que son champ apparent est d'environ 50° ?

3. \(\alpha \approx \dfrac{d_L}{D} = \dfrac{3{,}47\times10^{3}}{3{,}84\times10^{5}} = 9{,}04\times10^{-3}\ \text{rad}\) (environ 0,52°).

4. \(A_1B_1 = f'_1\,\alpha = 900\times9{,}04\times10^{-3} \approx 8{,}1\ \text{mm}\) : une petite image réelle de la Lune dans le plan focal.

5. \(G = \dfrac{f'_1}{f'_2} = \dfrac{900}{25} = 36\). \(\alpha' = G\alpha = 36\times9{,}04\times10^{-3} \approx 0{,}33\ \text{rad} \approx 19°\). Comme 19° < 50°, la Lune entière est visible dans le champ de l'oculaire.

Partie 3 — Le cratère Copernic
  1. Sous quel angle \(\alpha_C\) voit-on le cratère à l'œil nu ? Est-il visible sans instrument ?
  2. Est-il visible à travers la lunette munie de l'oculaire de 25 mm ?
  3. Avec l'oculaire de 10 mm, calculer le nouveau grossissement. Quel est l'intérêt et quel est l'inconvénient de ce choix ?

6. \(\alpha_C \approx \dfrac{93}{3{,}84\times10^{5}} = 2{,}4\times10^{-4}\ \text{rad}\). Comme \(\alpha_C < \varepsilon = 3{,}0\times10^{-4}\ \text{rad}\), le cratère n'est pas distinguable à l'œil nu.

7. \(\alpha'_C = G\,\alpha_C = 36\times2{,}4\times10^{-4} \approx 8{,}7\times10^{-3}\ \text{rad} \gg \varepsilon\) : le cratère est nettement visible.

8. \(G = 900/10 = 90\) : le cratère apparaît 2,5 fois plus grand qu'avec l'oculaire de 25 mm (plus de détails). En revanche, la Lune entière serait vue sous \(\alpha' \approx 90\times9{,}0\times10^{-3} \approx 0{,}81\ \text{rad} \approx 47°\) : elle remplit presque tout le champ, on n'en voit qu'une partie à la fois (l'image est aussi moins lumineuse).

📐 Formules à connaître — référentiel indispensable
Conjugaison (lentille mince)
\(\dfrac{1}{\overline{OA'}}-\dfrac{1}{\overline{OA}}=\dfrac{1}{f'}\)
mesures algébriques
Grandissement
\(\gamma=\dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}}=\dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}\)
γ < 0 : image renversée
Condition afocale
\(\overline{O_1O_2}=f'_1+f'_2\)
F′₁ confondu avec F₂
Grossissement
\(G=\dfrac{\alpha'}{\alpha}=\dfrac{f'_1}{f'_2}\)
sans unité, angles en rad
Image intermédiaire
\(A_1B_1 = f'_1\,\alpha\)
petits angles
Diamètre apparent
\(\alpha \approx \dfrac{d}{D}\)
objet de taille d à distance D
✅ Quiz final — tout le chapitre

1. f′₁ = 1,0 m et f′₂ = 20 mm. Le grossissement vaut :

2. Pour augmenter le grossissement d'une lunette donnée, on peut :

3. L'image intermédiaire A₁B₁ donnée par l'objectif est :

4. Pourquoi l'observateur n'a-t-il pas besoin d'accommoder avec une lunette afocale ?

5. Un astre est vu sous α = 2,0 × 10⁻³ rad. Avec G = 40, il est vu sous :

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10 exercices dédiés à ce chapitre, avec corrections détaillées, et le TP interactif lunette.

Voir les 10 exercices → Ouvrir le TP lunette →
🧠 Carte mentale du chapitre
Lunette astronomique
Lentille mince
  • 3 rayons particuliers
  • Conjugaison, grandissement γ
  • Objet à l'infini → image en F′
Objectif L₁
  • Grande focale f′₁
  • Image A₁B₁ réelle, renversée
  • \(A_1B_1 = f'_1\alpha\)
Oculaire L₂
  • Petite focale f′₂, joue le rôle de loupe
  • A₁B₁ en F₂ → image à l'infini
Lunette afocale
  • \(F'_1 = F_2\), \(O_1O_2 = f'_1+f'_2\)
  • \(G = \alpha'/\alpha = f'_1/f'_2\)
  • Observation sans accommodation
🎓 Points à retenir pour le bac
L'essentiel en 5 points
✓Objet à l'infini → image dans le plan focal image ; objet dans le plan focal objet → image à l'infini.
✓Lunette = objectif (grande focale) + oculaire (petite focale), réglée en position afocale : \(F'_1 = F_2\), \(O_1O_2 = f'_1 + f'_2\).
✓L'image intermédiaire A₁B₁ est réelle, renversée, en F′₁ ; l'image finale est à l'infini et renversée.
✓Grossissement : \(G = \alpha'/\alpha = f'_1/f'_2\), à établir avec \(\tan\alpha \approx \alpha\) et les rayons passant par O₁ et O₂.
✓Ne pas confondre grossissement (rapport d'angles) et grandissement (rapport de tailles).
🧭 Auto-évaluation
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