2. Le biologiste désire observer la cellule sans fatigue, c'est à dire sans accommoder.

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1 P a g e 1 TS Spécialité Physique Exercice résolu Enoncé Depuis une vingtaine dannées la microscopie confocale a connu un développement considérable. Ces microscopes équipent maintenant un grand nombre de laboratoires de biologie. Par rapport à la microscopie optique classique, la microscopie confocale permet de réaliser limage dun plan à lintérieur dun échantillon transparent (par exemple dans le cas dune cellule biologique). À partir dune série dimages des différents plans de léchantillon on peut alors reconstruire, en utilisant loutil informatique, limage tridimensionnelle de lobjet étudié. Remarques : - dans tout l exercice, les figures ne sont pas réalisées à l échelle, - les deux parties sont indépendantes. A. Première partie : étude d un microscope classique Lobjectif est modélisé par une lentille mince convergente (L 1 ) de centre optique O 1 et de distance focale image f 1 = 4,5 mm. Loculaire est modélisé par une lentille mince convergente (L 2 ) de centre optique O 2 et de distance focale f 2, supérieure à f 1. La distance = F 1 F 2, appelée intervalle optique, est imposée par le constructeur et est égale à 180 mm. Lobjet éclairé AB (par exemple une cellule musculaire) est positionné sur la platine porte-échantillon, solidaire du bâti du microscope. 1. Construire, sur le schéma de l annexe n 1, l image A 1 B 1 donnée par la lentille (L 1 ) de l objet AB. 2. Le biologiste désire observer la cellule sans fatigue, cest à dire sans accommoder. a) Dans ce cas, où limage définitive AB donnée par le microscope doit-elle se situer? b) Où doit se former limage intermédiaire A 1 B 1 pour répondre à cette condition? c) Sur le schéma en annexe n 1, placer les foyers principaux de la lentille (L 2 ). 3. a) En s aidant du schéma de l annexe n 1, montrer que le grandissement 1 de l objectif peut s écrire : 1 =. Calculer sa valeur. 1f b) Que peut-on dire de linscription «40» inscrite sur la monture de lobjectif? B. Deuxième partie : étude du microscope confocal De nos jours on préfère souvent lacquisition dimages numériques à la visualisation directe de limage. Pour cela on peut utiliser un capteur dimage appelé "capteur CCD". Le microscope classique est alors modifié de la façon suivante : on supprime loculaire (L 2 ) et on positionne le capteur CCD dans le plan de limage intermédiaire donnée par lobjectif (L 1 ), en le centrant sur laxe optique. Par extension ce système imageur continuera à être appelé microscope. Pour réaliser un "microscope confocal", on introduit également un diaphragme de petite taille (par exemple 50 m), lui aussi centré sur laxe optique et dans le plan du capteur. De cette façon, lensemble {capteur CCD + diaphragme} permet de réaliser un détecteur quasi ponctuel. Dans la suite, on s intéressera à 3 points A, B et D d une cellule biologique transparente placée sur la platine porte-échantillon. Ces trois points sont dans un même plan (celui du schéma) : - A est situé sur l axe optique de l objectif, - B est situé dans le plan perpendiculaire en A à l axe optique, - D est situé dans le même plan horizontal que B, en profondeur dans la cellule.

2 P a g e 2 1. Sur les schémas des annexes n 2 et n 3, on a construit le faisceau lumineux issu du point A et s appuyant sur les bords de cet objectif. a) Sur le schéma de l annexe n 2, construire limage B 1 du point B ainsi que le faisceau lumineux issu de B et s appuyant sur les bords de l objectif. b) Sur le schéma de l annexe n 3, construire l image D 1 du point D ainsi que le faisceau lumineux issu de D et s appuyant sur les bords de l objectif. c) En comparant les résultats obtenus, montrer que la plus grande partie de la lumière détectée par le capteur est émise par le point A et non par les points B et D. 2. Le système {capteur CCD + diaphragme} étant fixe et centré sur laxe optique, il est nécessaire de déplacer lobjet pour former successivement toutes les images des points situés entre A et B et en profondeur dans la cellule. Pour cela on utilise une platine porte-échantillon motorisée. Cette platine permet un déplacement dans les trois directions xx, yy et zz (voir figure ci-dessous). On construit alors point par point limage dun plan de la cellule et les images de plans en profondeur dans la cellule. Cette technique, dite «microscopie à balayage» (par opposition à la microscopie classique), nécessite un temps dacquisition correspondant au déplacement point par point dans la cellule. Un traitement informatique permettra ensuite d obtenir des informations sur la structure spatiale de cette même cellule. a) Selon quel axe et dans quel sens faut-il déplacer léchantillon de façon à pouvoir détecter limage du point B? b) Positionner alors lobjet AB sur le schéma de l annexe n 4, et tracer le faisceau issu de B et s appuyant sur les bords de l objectif. c) En utilisant le même système daxes, indiquer comment il faut déplacer léchantillon pour acquérir limage du point D de la cellule biologique?

3 P a g e 3 Annexes Annexe n 1 Annexe n 2 Annexe n 3

4 P a g e 4 Annexe n 4

5 P a g e 5 Corrigé A. Première partie : étude d un microscope classique 1. Construire, sur le schéma de l annexe n 3, l image A 1B 1 donnée par la lentille (L 1) de l objet AB. 2. Le biologiste désire observer la cellule sans fatigue, cest à dire sans accommoder. a) Dans ce cas, où limage définitive AB donnée par le microscope doit-elle se situer? L image A B doit se situer à l infini. b) Où doit se former limage intermédiaire A 1B 1 pour répondre à cette condition? A 1 B 1 doit se former dans le plan focal objet de la lentille (L 2 ). c) Sur le schéma en annexe n 3, placer les foyers principaux de la lentille (L 2). 3. a) En s aidant du schéma de l annexe n 3, montrer que le grandissement 1 de l objectif peut s écrire : 1 =. Calculer sa valeur. f 1 Les triangles O 1 KF 1 et A 1 B 1 F 1 sont semblables : A B OK A F OF Or : OK 1 => 1 AB ; AB 1 1 AB = - 1f OF f ; AF 1 1 soit : 1 = ,5 = - 40 b) Que peut-on dire de linscription «40» inscrite sur la monture de lobjectif? L inscription sur la monture de l objectif indique la valeur absolue du grandissement de celui-ci. B. Deuxième partie : étude du microscope confocal 1. a) Sur le schéma de l annexe n 4, construire limage B 1 du point B ainsi que le faisceau lumineux issu de B et s appuyant sur les bords de l objectif. b) Sur le schéma de l annexe n 5, construire l image D 1 du point D ainsi que le faisceau lumineux issu de D et s appuyant sur les bords de l objectif. c) En comparant les résultats obtenus, montrer que la plus grande partie de la lumière détectée par le capteur est émise par le point A et non par les points B et D. Toute la lumière issue de A pénètre à lintérieur du diaphragme et est détectée par le capteur CCD. Le faisceau issu de B converge bien dans le plan du capteur mais en dehors de louverture diaphragmée : le capteur ne reçoit aucune lumière issue de B. Quant au point D, son image ne se forme pas dans le plan du capteur, et le faisceau lumineux ne passe pas par le diaphragme. 2. a) Selon quel axe et dans quel sens faut-il déplacer léchantillon de façon à pouvoir détecter limage du point B? Limage B 1 de B se trouve en dessous de louverture (voir schéma en annexe n 4). Il faut donc la remonter et, pour cela, lobjet AB doit rester dans le plan initial mais doit descendre selon yy pour que B soit sur laxe optique. b) Positionner alors lobjet AB sur le schéma de l annexe n 6, et tracer le faisceau issu de B et s appuyant sur les bords de l objectif. c) En utilisant le même système daxes, indiquer comment il faut déplacer léchantillon pour acquérir limage du point D de la cellule biologique? Pour acquérir limage du point D de la cellule biologique, il faut que le point D occupe la position du point A. Il faut donc opérer un déplacement selon yy vers le bas et un déplacement selon zz vers la droite.

6 P a g e 6 Annexe n 1 K F 2 F 2 A 1 B 1 Annexe n 2 B 1 Annexe n 3 D 1

7 P a g e 7 Annexe n 4 B A