Lycée Brizeux Optique Année PCSI TP OP5
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Niveau: Supérieur
Lycée Brizeux Optique Année 2009-2010 PCSI TP OP5 _________________________________________________________________________________________ -1- INSTRUMENTS D'OPTIQUE Il existe deux types d'instruments d'optique : • les instruments objectifs qui donnent d'un objet une image réelle su un écran, une pellicule photographique ou un détecteur électronique ; • les instruments subjectifs qui donnent d'un objet réel une image virtuelle observée par l'œil. Cette dernière catégorie d'instruments peut être schématisé de la façon suivante : L'objectif donne de l'objet observé une image intermédiaire ; L'oculaire permet l'observation à l'infini de cette image intermédiaire (en effet, un œil emmétrope n'accommode pas à l'infini). La luminosité de l'image dépend de la quantité de lumière entrant dans le système, qui est déterminée par le diaphragme d'ouverture, ici la monture de l'objectif. Tout rayon traversant le microscope passe par l'objectif, donc par l'image de Lobj par Loc que l'on appelle cercle oculaire, réel par construction .
Voir
Lycée Brizeux Optique Année 2009-2010 PCSI TP OP5 _________________________________________________________________________________________ -1- INSTRUMENTS D'OPTIQUE Il existe deux types d'instruments d'optique : • les instruments objectifs qui donnent d'un objet une image réelle su un écran, une pellicule photographique ou un détecteur électronique ; • les instruments subjectifs qui donnent d'un objet réel une image virtuelle observée par l'œil. Cette dernière catégorie d'instruments peut être schématisé de la façon suivante : L'objectif donne de l'objet observé une image intermédiaire ; L'oculaire permet l'observation à l'infini de cette image intermédiaire (en effet, un œil emmétrope n'accommode pas à l'infini). La luminosité de l'image dépend de la quantité de lumière entrant dans le système, qui est déterminée par le diaphragme d'ouverture, ici la monture de l'objectif. Tout rayon traversant le microscope passe par l'objectif, donc par l'image de Lobj par Loc que l'on appelle cercle oculaire, réel par construction .
- marche des rayons lumineux
- cristallin en donne
- définitions du grossissement et de la puissance
- luminosité de l'image
- lunette de galilée
- plan focal
- œil
Lycée Brizeux
Optique
Année 2009-2010
PCSI
TP OP5
_________________________________________________________________________________________
-1-
INSTRUMENTS D’OPTIQUE
Il existe deux types d’instruments d’optique :
•
les instruments objectifs qui donnent d’un objet une image réelle su un écran, une pellicule
photographique ou un détecteur électronique ;
•
les instruments subjectifs qui donnent d’un objet réel une image virtuelle observée par l’oeil.
Cette dernière catégorie d’instruments
peut être schématisé de la façon suivante :
L’objectif donne de l’objet observé une image intermédiaire ;
L’oculaire permet l’observation à l’infini de cette image intermédiaire (en effet, un oeil emmétrope
n’accommode pas à l’infini).
La luminosité de l’image dépend de la quantité de lumière entrant dans le système, qui est déterminée par le
diaphragme d’ouverture, ici la monture de l’objectif.
Tout rayon traversant le microscope passe par l’objectif, donc par l’image de L
obj
par L
oc
que l’on appelle cercle
oculaire, réel par construction
.
Donc, pour recevoir un maximum de lumière, l’oeil doit être placé au cercle oculaire.
Nous étudierons au cours de cette séance le principe de deux instruments d’optique :
•
la lunette de Galilée (lunette afocale)
•
le microscope
Leur mise en oeuvre sur banc d’optique nous permettra de déterminer expérimentalement certaines de leurs
caractéristiques comme le grossissement (sur l’exemple de la lunette de Galilée) ou la puissance (sur l’exemple
du microscope).
oculaire
objectif
objet
image
intermédiaire
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-2-
I-
LUNETTE DE GALILEE
I-1- Etude théorique
La lunette de Galilée a pour but d’observer des objets très éloignés de l’observateur, et d’en donner une image
grossie et droite à l’infini, ce qui permet une observation confortable pour notre oeil. Elle doit donc être afocale.
Un instrument afocal est caractérisé par son grossissement :
où :
α
appareil
représente le diamètre angulaire de l’objet vu à travers l’appareil
et :
α
oeilnu
le diamètre de l’objet vu à l’oeil nu
La lunette de Galilée est constituée de deux lentilles minces : l’objectif est une lentille
convergente
de distance
focale f’
1
et l’oculaire une lentille
divergente
de distance focale f’
2
.
1
2
L
L
1
1
AB à l'
A B
A'B' à l'
∞
→
→
∞
:
1
1
A B
est dans le plan focal image de L
1
mais aussi dans le plan focal objet de
L
2
: ces deux plans doivent être confondus et donc : F’
1
≡
F
2
.
Construction des rayons traversant la lunette :
Sur papier millimétré, réalisez deux construction de rayons :
-
l’une avec l’objet à l’infini et l’oeil ;
-
l’autre avec l’objet à l’infini et l’oeil entre lesquels vous ajoutez la lunette (L
1
+ L
2
).
On prendra f’
1
= 30 cm et f’
2
= - 10 cm.
Expression théorique du grossissement G
théo
:
Nous allons maintenant déterminer expérimentalement le grossissement G
exp
de la lunette et le comparer à la
valeur théorique G
théo
.
I-2- Réalisation du montage et détermination expérimentale du grossissement
a-
Simulation d’un objet à l’infini
Il faut au préalable simuler un objet à l’infini.
Ceci peut être réalisé à l’aide d’un objet réel placé par autocollimation au foyer objet d’une lentille
convergente :
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-3-
b-
Observation de l’objet à l’oeil nu
On peut simuler l’oeil au repos (vision à l’infini) à l’aide d’une lentille convergente (f’ = 20cm) et d’un écran :
Remarque : pour la suite, on ne touchera plus à ces réglages !!!
A l’oeil nu, l’image sur la rétine (écran) de cet objet à l’infini a une certaine taille :
(
29
oeil nu
A'B'
. La lunette de
Galilée va nous permettre d’augmenter la taille de cette image sur la rétine, tout en la conservant dans le même
sens.
c-
Observation de l’objet à travers la lunette de Galilée
Sur votre banc d’optique, vous devez avoir le montage suivant :
Réglage des positions des deux lentilles de la lunette :
On a réalisé un objet à l’infini sur le banc : L
1
reçoit donc un faisceau de rayons parallèles et sa position par
rapport à l’objet à l’infini importe peu : on la place de sorte qu’on perde le moins de lumière possible.
Ensuite, on place L
2
de sorte que l’image finale soit à l’infini et donc que le cristallin en donne une image nette
sur la rétine (écran).
Remarque importante : il ne faut toucher ni à l’oeil réglé à l’infini ni à l’objet à l’infini pour régler la
lunette !!
C
R
distance à régler de sorte que
l’image de l’objet à l’infini
soit nette sur l’écran
A
B
f’ = 10 cm
diapositive
éclairée
objet à l’infini
oeil au repos
f’ = 20 cm
A
B
f’ = 10 cm
diapositive
éclairée
objet à l’infini
C
R
oeil au repos
lunette de Galilée
+
f’1
f’2
distance fixée
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-4-
d-
Détermination expérimentale du grossissement :
En vous aidant de la construction sur papier millimétré, exprimez G en fonction de
(
29
rétine
lunette
A'B'
et
(
29
rétine
oeil nu
A'B'
:
G = …..
Mesures :
(
29
rétine
oeil nu
A'B'
=
(
29
rétine
lunette
A'B'
=
.
Ecart relatif entre la valeur prévue et la valeur mesurée :
Commentaires sur cet écart :
II-
MICROSCOPE
II-1- Présentation du microscope, définitions du grossissement et de la puissance
Un microscope est un instrument d’optique destiné à donner une image agrandie d’un objet petit et proche.
Cette image est renversée.
Il est formé d’un objectif et d’un oculaire qu’on peut schématiser par deux lentilles L
obj
et L
oc
,
fixes l’une par
rapport à l’autre
. La mise au point s’effectue en déplaçant l’ensemble (L
obj
+ L
oc
). L’image fournie est à
l’infini, pour que l’observateur n’accommode pas.
Comme tous les appareils donnant une image à l’infini, le microscope est caractérisé par :
- son grossissement :
où
α
appareil
représente le diamètre angulaire de l’objet vu à travers l’appareil
et
α
PP
le diamètre de l’objet vu à l’oeil nu et placé au punctum proximum ;
- sa puissance :
où
α
appareil
est le diamètre angulaire de l’objet vu à travers l’appareil et AB est la
dimension transverse de l’objet.
Remarque : Le grossissement commercial correspond à un punctum proximum de 25 cm (PP de l’oeil normal).
On a donc :
Nous allons déterminer expérimentalement la puissance d’un microscope modélisé sur banc d’optique.
⇒
G
mes
=
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-5-
II-2- Réalisation d’un microscope sur banc d’optique
a-
Montage
Réaliser un oeil fictif composé d’une lentille convergente L
oeil
de distance focale 20 cm et d’un écran. Où doit-
on positionner l’écran par rapport à L
oeil
?
Construire le montage modélisant le microscope en choisissant L
obj
de distance focale +10 cm, et L
oc
de
distance focale +20 cm. On fixera la distance entre ces deux lentilles à environ 50 cm à l’aide d’une tige et de
noix de serrage.
b-
Détermination de la puissance du microscope
L’objet utilisé sera une diapositive quadrillée. Régler la distance (objet, L
obj
) pour obtenir une image nette sur
l’écran.
Faire un schéma représentant ces trois lentilles, et la marche des rayons lumineux une fois la mise au point
effectuée.
Déterminer l’expression de la puissance du microscope en fonction de la taille de l’objet, de celle de l’image se
formant sur la rétine et de la distance focale du cristallin :
P = …………
Mesurer ces trois grandeurs et en déduire P.
objet :
« P » éclairé
Lobj
Loc
Loeil
écran
oeil
microscope
tige avec noix de serrage
C
R
