La lunette astronomique

Spécialité physique chimie Terminale

Rappels de première : la lentille convergente

Foyers et distance focale

Une lentille mince convergente fait converger un faisceau de rayons parallèles. On la représente par un segment terminé par deux pointes tournées vers l'extérieur. Elle est caractérisée par :

  • son centre optique O, sur l'axe optique (axe de symétrie de la lentille) ;
  • son foyer image F', où convergent les rayons arrivant parallèlement à l'axe optique, et son foyer objet F, symétrique de F' par rapport à O ;
  • sa distance focale \(f' = \overline{OF'}\) (en m), positive pour une lentille convergente ; sa vergence \(V = \dfrac{1}{f'}\) s'exprime en dioptries (δ).
Les distances sont algébriques : on oriente l'axe optique dans le sens de propagation de la lumière (de gauche à droite) et l'axe vertical vers le haut. Ainsi \(\overline{OA} \lt 0\) pour un objet placé avant la lentille.

Construction de l'image d'un objet

Pour construire l'image B' d'un point B, il suffit de deux des trois rayons particuliers issus de B :

  • un rayon qui passe par le centre optique O n'est pas dévié (orange) ;
  • un rayon parallèle à l'axe optique ressort en passant par le foyer image F' (bleu) ;
  • un rayon qui passe par le foyer objet F ressort parallèle à l'axe optique (violet).
A B F F' O A' B' objet à 30 cm, f' = 10 cm

Un objet très éloigné (« à l'infini »), comme un astre, envoie sur la lentille des rayons parallèles entre eux. Son image se forme dans le plan focal image, le plan perpendiculaire à l'axe passant par F' : c'est le cas de l'objectif de la lunette.

plan focal image B' F' O rayons venant d'un point B de l'astre « à l'infini »

Relation de conjugaison et grandissement

La position de l'image A'B' d'un objet AB perpendiculaire à l'axe (A sur l'axe) est donnée par la relation de conjugaison :

\[ \dfrac{1}{\overline{OA'}} - \dfrac{1}{\overline{OA}} = \dfrac{1}{f'} \]

Le grandissement γ compare la taille de l'image à celle de l'objet :

\[ \gamma = \dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} \]
  • \(\gamma \lt 0\) : l'image est renversée ; \(\gamma \gt 0\) : elle est droite.
  • \(|\gamma| \gt 1\) : l'image est plus grande que l'objet ; \(|\gamma| \lt 1\) : plus petite.

Une lentille convergente a une distance focale \(f' = 10\ \text{cm}\). Un objet AB de 4,0 cm est placé à 30 cm devant la lentille. ✏️ 🧮

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1. Déterminez la position de l'image à l'aide de la relation de conjugaison.
💡 Indice Attention au signe : l'objet est avant la lentille, donc \(\overline{OA} = -30\ \text{cm}\).
\[ \dfrac{1}{\overline{OA'}} = \dfrac{1}{f'} + \dfrac{1}{\overline{OA}} = \dfrac{1}{10} + \dfrac{1}{-30} = \dfrac{2}{30} \quad \text{donc} \quad \overline{OA'} = 15\ \text{cm} \]

L'image se forme 15 cm après la lentille, comme sur la construction ci-dessus.

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2. Calculez le grandissement et la taille de l'image. Décrivez l'image.

\(\gamma = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} = \dfrac{15}{-30} = -0{,}50\), donc \(\overline{A'B'} = \gamma \times \overline{AB} = -2{,}0\ \text{cm}\) : l'image est réelle, renversée et deux fois plus petite que l'objet.

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3. Reprenez le calcul pour un objet placé à 20 cm, à 10 cm, puis à 5 cm de la lentille.
  • À 20 cm (\(2f'\)) : \(\overline{OA'} = 20\ \text{cm}\), \(\gamma = -1\) : image réelle, renversée, de même taille.
  • À 10 cm (objet en F) : \(\dfrac{1}{\overline{OA'}} = \dfrac{1}{10} - \dfrac{1}{10} = 0\) : l'image est rejetée à l'infini.
  • À 5 cm : \(\dfrac{1}{\overline{OA'}} = \dfrac{1}{10} - \dfrac{1}{5} = -\dfrac{1}{10}\), donc \(\overline{OA'} = -10\ \text{cm}\) et \(\gamma = \dfrac{-10}{-5} = 2\) : l'image est du même côté que l'objet, virtuelle, droite et deux fois plus grande.

Image réelle, image virtuelle

  • Si l'objet est placé avant le foyer objet F, les rayons émergents se croisent réellement : l'image est réelle et renversée. On peut la recueillir sur un écran (projecteur, appareil photo, rétine de l'œil).
  • Si l'objet est placé entre F et la lentille, les rayons émergents divergent : seuls leurs prolongements se croisent. L'image est virtuelle : impossible de la projeter sur un écran, mais l'œil placé derrière la lentille la voit, droite et agrandie. C'est le principe de la loupe.

L'œil et sa limite de résolution

Diamètre apparent

La taille d'un objet « vu » par l'œil ne dépend pas seulement de sa taille réelle mais aussi de sa distance : ce qui compte est l'angle sous lequel on le voit, appelé diamètre apparent α.

B A h α d

Pour un objet petit devant sa distance, l'angle est petit et, exprimé en radians :

\[ \alpha \approx \tan \alpha = \dfrac{h}{d} \]

Pouvoir de résolution de l'œil

L'œil humain ne distingue deux points voisins que s'ils sont vus sous un angle supérieur à une valeur limite, le pouvoir séparateur de l'œil :
\[ \alpha_{\text{lim}} \approx 3{,}3 \times 10^{-4}\ \text{rad} \]
soit environ une minute d'angle (\(\dfrac{1}{60}\) de degré). En dessous, les deux points sont vus comme un seul.

Par exemple, à 3 m, l'œil sépare tout juste deux points distants de \(3{,}3 \times 10^{-4} \times 3 \approx 1\ \text{mm}\). Pour observer des détails plus fins d'un objet lointain, il faut augmenter l'angle sous lequel on le voit : c'est le rôle de la lunette.

La Lune, de diamètre 3 474 km, est à 384 000 km de la Terre. 🧮

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1. Sous quel angle voit-on la Lune à l'œil nu ?

\(\alpha = \dfrac{3\,474}{384\,000} \approx 9{,}0 \times 10^{-3}\ \text{rad}\), soit environ 0,5°. C'est bien supérieur à \(\alpha_{\text{lim}}\) : on voit un disque.

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2. Quelle est la taille du plus petit détail visible à l'œil nu à la surface de la Lune ?

\(h = \alpha_{\text{lim}} \times d = 3{,}3 \times 10^{-4} \times 384\,000 \approx 130\ \text{km}\) : à l'œil nu, on ne distingue que les grandes « mers » sombres, pas les cratères.

La lunette astronomique afocale

Schéma de la lunette

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

  • l'objectif \(L_1\), tourné vers l'astre, de grande distance focale \(f'_1\) (souvent plusieurs dizaines de centimètres) ;
  • l'oculaire \(L_2\), contre lequel on place l'œil, de petite distance focale \(f'_2\) (quelques millimètres à quelques centimètres).
La lunette est afocale lorsque le foyer image \(F'_1\) de l'objectif est confondu avec le foyer objet \(F_2\) de l'oculaire. Elle donne alors d'un objet à l'infini une image à l'infini : l'œil observe sans accommoder, donc sans fatigue. La longueur de la lunette est \(f'_1 + f'_2\).
  • L'objectif donne de l'astre une image intermédiaire \(A_1B_1\) dans son plan focal image.
  • \(A_1B_1\) est dans le plan focal objet de l'oculaire : les rayons issus de \(B_1\) ressortent parallèles entre eux. Leur direction est donnée par le rayon qui passe par \(O_2\), non dévié.
L1 L2 B1 A1 F'1 = F2 O1 O2 B∞ α α' f'1 f'2 schéma pas à l'échelle

Le schéma s'interprète ainsi :

  • Un point B de l'astre, situé à l'infini, envoie un faisceau parallèle incliné de α sur l'axe optique.
  • Ce faisceau converge en \(B_1\), sur le rayon passant par \(O_1\) (non dévié).
  • Il ressort de l'oculaire en un faisceau parallèle, incliné de α' dans la direction de \(B_1O_2\).
  • L'image finale, vue sous l'angle α', est renversée.

Le grossissement

Le grossissement G d'une lunette compare l'angle α' sous lequel on voit l'image à travers l'instrument à l'angle α sous lequel on voit l'objet à l'œil nu :
\[ G = \dfrac{\alpha'}{\alpha} \]
G est sans unité ; α et α' sont en radians.

Établissez l'expression du grossissement d'une lunette afocale en fonction des distances focales \(f'_1\) et \(f'_2\), à l'aide du schéma de la lunette. Les angles étant petits, on utilise \(\tan \alpha \approx \alpha\). Avancez étape par étape : cherchez d'abord, utilisez l'indice si besoin, puis cliquez sur la question pour vérifier votre réponse.

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1. Dans le triangle \(O_1A_1B_1\), exprimez \(\tan \alpha\) en fonction de \(A_1B_1\) et de \(f'_1\).
💡 Indice Le rayon \(B_1O_1\) n'est pas dévié : il fait l'angle α avec l'axe. Le triangle est rectangle en \(A_1\), et \(O_1A_1 = f'_1\).
\[ \tan \alpha = \dfrac{A_1B_1}{O_1A_1} = \dfrac{A_1B_1}{f'_1} \]
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2. Dans le triangle \(O_2A_1B_1\), exprimez \(\tan \alpha'\) en fonction de \(A_1B_1\) et de \(f'_2\).
💡 Indice Les rayons émergents sont parallèles à \(B_1O_2\), qui fait l'angle α' avec l'axe ; \(A_1 = F_2\), donc \(A_1O_2 = f'_2\).
\[ \tan \alpha' = \dfrac{A_1B_1}{A_1O_2} = \dfrac{A_1B_1}{f'_2} \]
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3. Utilisez l'approximation des petits angles et déduisez-en G.
💡 Indice Remplacez \(\tan \alpha\) par α et \(\tan \alpha'\) par α', puis faites le quotient : \(A_1B_1\) se simplifie.

\(G = \dfrac{\alpha'}{\alpha} \approx \dfrac{\tan \alpha'}{\tan \alpha} = \dfrac{A_1B_1}{f'_2} \times \dfrac{f'_1}{A_1B_1}\), d'où le résultat ci-dessous.

Le grossissement d'une lunette afocale est donc :

\[ G = \dfrac{f'_1}{f'_2} \]
  • Pour un objectif donné, plus la distance focale de l'oculaire est petite, plus le grossissement est grand : on change d'oculaire pour changer de grossissement.
  • Grâce à la lunette, un détail vu sous un angle α inférieur à \(\alpha_{\text{lim}}\) peut être vu sous l'angle \(\alpha' = G \times \alpha\), supérieur à \(\alpha_{\text{lim}}\) : il devient visible.
L'objectif d'une lunette a aussi un diamètre bien plus grand que la pupille de l'œil : il capte beaucoup plus de lumière, ce qui permet de voir des astres trop peu lumineux pour l'œil nu. Les fabricants indiquent ce diamètre et la distance focale de l'objectif, par exemple « 70/700 » pour un objectif de 70 mm de diamètre et 700 mm de focale.

Une lunette astronomique « 70/700 » est vendue avec un objectif de distance focale \(f'_1 = 700\ \text{mm}\) et deux oculaires de distances focales 25 mm et 10 mm. 🧮

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1. Calculez le grossissement obtenu avec chacun des oculaires.

Avec l'oculaire de 25 mm : \(G = \dfrac{700}{25} = 28\). Avec l'oculaire de 10 mm : \(G = \dfrac{700}{10} = 70\).

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2. Quelle est la longueur de la lunette avec l'oculaire de 25 mm ?

La lunette est afocale : \(f'_1 + f'_2 = 700 + 25 = 725\ \text{mm}\), soit environ 73 cm.

Un peu d'histoire : Galilée et les satellites de Jupiter

Une lunette tournée vers le ciel

Les premières lunettes apparaissent aux Pays-Bas en 1608, chez des fabricants de lunettes de vue. L'année suivante, en 1609, le savant italien Galileo Galilei (Galilée) en entend parler et construit lui-même ses instruments, de plus en plus puissants, jusqu'à un grossissement d'environ 20. Il a l'idée, nouvelle, de les pointer vers le ciel.

Il découvre que la Lune a des montagnes et des cratères, que la Voie lactée est formée d'une multitude d'étoiles, puis, à partir de janvier 1610, que Jupiter est accompagnée de petites « étoiles » qui changent de place chaque nuit.

Positions simulées à partir des périodes réelles des satellites ; le carnet imite la façon dont Galilée notait ses observations, Jupiter représentée par un cercle et les satellites par des astérisques.

Une découverte qui ébranle le géocentrisme

Galilée observe que ces quatre « étoiles » restent toujours près de Jupiter, alignées, et qu'elles passent d'un côté à l'autre de la planète : ce sont des satellites en orbite autour de Jupiter. Il publie ses observations en mars 1610 dans le Sidereus Nuncius (« Le Messager céleste ») et les baptise « astres médicéens », en l'honneur de ses protecteurs, les Médicis. Ils portent aujourd'hui les noms proposés par l'astronome Simon Marius : Io, Europe, Ganymède et Callisto, les satellites galiléens.

La découverte est décisive : voilà des astres qui ne tournent pas autour de la Terre. La Terre n'est donc pas le centre de tous les mouvements, ce qui renforce le modèle héliocentrique de Copernic. Galilée le défendra, ce qui lui vaudra d'être condamné par l'Inquisition en 1633.

Les rayons des orbites sont à l'échelle (Jupiter aussi) ; les satellites sont agrandis pour être visibles. Périodes de révolution : Io 1,8 jour, Europe 3,6 jours, Ganymède 7,2 jours, Callisto 16,7 jours. Plus un satellite est loin de Jupiter, plus il est lent. Vus depuis la Terre, presque dans le plan des orbites, les satellites semblent osciller sur une ligne : c'est ce que Galilée a observé.
  • La lunette de Galilée avait un oculaire divergent et donnait une image droite. En 1611, Kepler propose d'utiliser deux lentilles convergentes : c'est la lunette astronomique de ce chapitre, à l'image renversée mais au champ plus large.
  • Les satellites galiléens vérifient la troisième loi de Kepler, comme les planètes autour du Soleil : 🔗 satellites et planètes.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Lentille convergente

  • Rayon par O : non dévié ; parallèle à l'axe : ressort par F' ; par F : ressort parallèle.
  • Objet à l'infini : image dans le plan focal image.
  • Distance focale \(f' = \overline{OF'}\) ; vergence \(V = \dfrac{1}{f'}\) en δ.

Conjugaison et grandissement

  • Distances algébriques : \(\overline{OA} \lt 0\) pour un objet réel.
  • γ < 0 : image renversée ; |γ| > 1 : agrandie.
\[ \begin{aligned} & \dfrac{1}{\overline{OA'}} - \dfrac{1}{\overline{OA}} = \dfrac{1}{f'} \\ & \gamma = \dfrac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} \end{aligned} \]

Image réelle ou virtuelle

  • Objet avant F : image réelle, renversée, observable sur un écran.
  • Objet entre F et O : image virtuelle, droite, agrandie, vue par l'œil à travers la lentille (loupe).

L'œil

  • Diamètre apparent : \(\alpha \approx \dfrac{h}{d}\) en rad.
  • Deux points ne sont séparés que si \(\alpha \gt \alpha_{\text{lim}}\).
\( \alpha_{\text{lim}} \approx 3{,}3 \times 10^{-4}\ \text{rad} \)

Lunette afocale

  • Objectif \(L_1\) (grande \(f'_1\)) et oculaire \(L_2\) (petite \(f'_2\)), convergents.
  • \(F'_1 = F_2\) : objet à l'infini → image à l'infini.
  • Image intermédiaire \(A_1B_1\) dans le plan focal commun ; faisceau émergent parallèle à \(B_1O_2\).
  • Image finale renversée.

Grossissement

  • Sans unité ; savoir l'établir avec \(\tan \alpha \approx \alpha\).
  • Plus \(f'_2\) est petite, plus G est grand.
\( G = \dfrac{\alpha'}{\alpha} = \dfrac{f'_1}{f'_2} \)

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur la lentille et la lunette

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : Vrai ou faux sur la lunette astronomique

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 3 : QCM sur la lentille convergente 🧮

📝 L'objectif d'un appareil photo est modélisé par une lentille convergente de distance focale \(f' = 50\ \text{mm}\). Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont exactes ?
  • Sa vergence vaut 20 δ.
  • Sa vergence vaut 0,02 δ.
  • L'image d'un paysage lointain se forme dans le plan focal image, à 50 mm de la lentille.
  • Un objet placé à 100 mm devant la lentille donne une image de même taille, renversée.
  • Un objet placé à 30 mm devant la lentille donne une image réelle sur le capteur.
  • Un grandissement γ = −2 correspond à une image droite deux fois plus grande.
  • Un rayon passant par le foyer objet ressort parallèle à l'axe optique.

Exercice 4 : la loupe du philatéliste 📄 ✏️ 🧮


Un collectionneur de timbres observe un timbre à travers une loupe, lentille convergente de distance focale \(f' = 5{,}0\ \text{cm}\). Le timbre est placé à 4,0 cm de la loupe ; un détail du timbre mesure 0,20 mm.


📖
1. Où se trouve le timbre par rapport au foyer objet F de la loupe ? Que peut-on en déduire sur la nature de l'image ?

Le timbre est à 4,0 cm de la lentille, donc entre F (à 5,0 cm) et O : l'image est virtuelle.

📖
2. Déterminer la position de l'image.
💡 Indice \(\overline{OA} = -4{,}0\ \text{cm}\) ; utilisez la relation de conjugaison.
\[ \dfrac{1}{\overline{OA'}} = \dfrac{1}{5{,}0} + \dfrac{1}{-4{,}0} = -0{,}050\ \text{cm}^{-1} \quad \text{donc} \quad \overline{OA'} = -20\ \text{cm} \]

\(\overline{OA'} \lt 0\) : l'image est du même côté que l'objet, 20 cm avant la loupe.

📖
3. Calculer le grandissement, puis la taille de l'image du détail. Décrire l'image.

\(\gamma = \dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}} = \dfrac{-20}{-4{,}0} = 5{,}0\) : l'image du détail mesure \(5{,}0 \times 0{,}20 = 1{,}0\ \text{mm}\). Elle est virtuelle, droite (γ > 0) et cinq fois plus grande.

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4. Le collectionneur pourrait-il projeter cette image sur une feuille de papier ? Comment l'observe-t-il ?

Non : une image virtuelle ne peut pas être recueillie sur un écran, car les rayons émergents ne se croisent pas réellement. Le collectionneur place son œil derrière la loupe : il reçoit les rayons émergents, qui semblent provenir de l'image agrandie.

Exercice 5 : observer les cratères de la Lune 📄 ✏️ 🧮


Une lunette afocale est équipée d'un objectif de distance focale \(f'_1 = 700\ \text{mm}\) et de deux oculaires de distances focales 25 mm et 10 mm. On souhaite observer un cratère lunaire de 3,0 km de diamètre. La Lune est à 384 000 km de la Terre.

Donnée : pouvoir séparateur de l'œil \(\alpha_{\text{lim}} = 3{,}3 \times 10^{-4}\ \text{rad}\).


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1. Calculer l'angle α sous lequel on voit le cratère à l'œil nu. Est-il visible ?

\(\alpha = \dfrac{3{,}0}{384\,000} \approx 7{,}8 \times 10^{-6}\ \text{rad}\), bien inférieur à \(\alpha_{\text{lim}}\) : le cratère est invisible à l'œil nu.

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2. Calculer le grossissement de la lunette avec chaque oculaire.

\(G_1 = \dfrac{700}{25} = 28\) et \(G_2 = \dfrac{700}{10} = 70\).

📖
3. Quel oculaire faut-il choisir pour distinguer le cratère ?
💡 Indice Calculez \(\alpha' = G \times \alpha\) dans chaque cas et comparez à \(\alpha_{\text{lim}}\).
  • Oculaire de 25 mm : \(\alpha' = 28 \times 7{,}8 \times 10^{-6} \approx 2{,}2 \times 10^{-4}\ \text{rad} \lt \alpha_{\text{lim}}\) : cratère invisible.
  • Oculaire de 10 mm : \(\alpha' = 70 \times 7{,}8 \times 10^{-6} \approx 5{,}5 \times 10^{-4}\ \text{rad} \gt \alpha_{\text{lim}}\) : le cratère est visible.

Il faut l'oculaire de 10 mm.

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4. Quelle est la longueur de la lunette avec cet oculaire ?

\(f'_1 + f'_2 = 700 + 10 = 710\ \text{mm}\).

Exercice 6 : ce que voyait Galilée 📄 ✏️ 🧮


Lors de ses observations de janvier 1610, Jupiter était à environ \(6{,}3 \times 10^{8}\ \text{km}\) de la Terre. Le diamètre de Jupiter vaut \(1{,}4 \times 10^{5}\ \text{km}\) et Callisto, le plus éloigné des satellites galiléens, tourne à \(1{,}9 \times 10^{6}\ \text{km}\) de Jupiter. La lunette de Galilée grossissait environ 20 fois.

Donnée : \(\alpha_{\text{lim}} = 3{,}3 \times 10^{-4}\ \text{rad}\).


📖
1. Calculer le diamètre apparent de Jupiter à l'œil nu. Que voit-on sans instrument ?

\(\alpha = \dfrac{1{,}4 \times 10^{5}}{6{,}3 \times 10^{8}} \approx 2{,}2 \times 10^{-4}\ \text{rad} \lt \alpha_{\text{lim}}\) : à l'œil nu, Jupiter ressemble à un point lumineux, comme une étoile.

📖
2. Sous quel angle Galilée voyait-il Jupiter dans sa lunette ? Conclure.

\(\alpha' = G \times \alpha = 20 \times 2{,}2 \times 10^{-4} \approx 4{,}4 \times 10^{-3}\ \text{rad} \gt \alpha_{\text{lim}}\) : Galilée voyait Jupiter comme un petit disque.

📖
3. Calculer l'angle maximal entre Jupiter et Callisto, vu de la Terre. L'œil pourrait-il, en théorie, les séparer ?

\(\dfrac{1{,}9 \times 10^{6}}{6{,}3 \times 10^{8}} \approx 3{,}0 \times 10^{-3}\ \text{rad}\), environ neuf fois \(\alpha_{\text{lim}}\) : en théorie, l'œil pourrait les séparer.

📖
4. Pourtant, personne n'avait vu les satellites de Jupiter avant 1610. Proposer une explication, en vous aidant de la remarque du cours sur le diamètre de l'objectif.

Les satellites sont très peu lumineux, et noyés dans l'éclat de Jupiter, des centaines de fois plus brillante. L'objectif de la lunette, de diamètre bien plus grand que la pupille, capte davantage de lumière, et le grossissement écarte les satellites de la planète : ils deviennent visibles.

Vers le bac

S'entraîner sur des sujets de bac

Vous maîtrisez le cours et les exercices du chapitre ? Passez maintenant aux exercices de bac sur la lunette astronomique. Le site Labolycée les regroupe par thème, avec leurs corrigés :

Conseil : cherchez chaque exercice en temps limité, comme le jour de l'épreuve, avant de regarder le corrigé.

⚠️ Les sujets demandent presque toujours de compléter un schéma de la lunette (image intermédiaire, faisceau émergent) : entraînez-vous à le refaire sans modèle, à la règle, en commençant par le rayon qui passe par le centre optique.
Un exercice de bac porte rarement sur un seul chapitre : certaines questions peuvent faire appel à d'autres notions du programme (diffraction, satellites et planètes, incertitudes…). Ne vous inquiétez pas si l'une d'elles vous semble hors sujet : elle sera traitée dans un autre chapitre.