TP Etude du microscope

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1 Noms des étudiants composant le binôme : TP Etude du microscope 1- Principe de fonctionnement L instrument comprend une partie mobile et une partie statique. Il est constitué dans sa version la plus simple, d un oculaire et d un que nous modéliserons par deux lentilles minces convergentes respectivement notée L 1 et L 2. Le principe est le même que celui de la lunette de visée (voir TP3), ce sont les conditions d utilisation qui diffèrent. Ici, l on s intéresse à l observation d objets de petite taille que l on voudrait voir sous un angle plus important qu à l œil nu. Rayons provenant de L 1 Figure 1 L 2 O 1 i = F 2 O 2 F 2 θ Oeil i La distance entre les lentilles reste constante - L est très près de l objet à observer, il a une petite distance focale de l ordre du millimètre. Il donne de l objet (qui est de petite taille) une image fortement agrandie et renversée (image intermédiaire i i ). - L oculaire placé devant l œil, donne l image finale que l on va observer. Si i i est dans le plan focal objet de L 2, l œil n accommodera pas : c est le cas représenté sur la figure 1. Sinon il doit accommoder : c est le cas représenté sur la figure 2 (l oculaire se comporte en fait, comme une loupe). Rayons provenant de L 1 Figure 2 L 2 F 2 i O 2 F 2 O 1 θ i Ici est vu sous un angle plus grand que. Remarque : il faut que la distance de à l œil soit supérieure à d m (distance minimale de vision distincte) La distance entre les lentilles reste constante Pour que le grossissement angulaire soit important, est toujours proche de.

2 2- Description du microscope réglages 2-1 Schéma de principe Oculaire (qui peut se retirer pour en changer) Réglage de la distance : -préparation Oculaire Longueur du tube du microscope (environ 160 mm ou 170 mm dans les versions les plus courantes) Différents s que l on peut permuter. Réglage fin (graduations) Distance que l on peut faire varier. On peut fixer ainsi la distance : objet observé - Platine où l on pose les objets observés Dispositif lumineux pour éclairer la préparation 2-2-Réglages - L oculaire est muni de graduations, celles-ci doivent être placées dans le plan focal objet de L 2 pour être vues de façon nette et sans accommoder par un œil normal. Ce premier réglage se fait en manipulant l oculaire (voir ci-contre) - On regarde ensuite à travers l oculaire, on fait la mise au point pour un objet quelconque placé sur la platine. Cette mise au point consiste à ramener i en F 2 comme sur la figure 1, pour cela on fait «bouger» la distance «objet lentille L 1». Lorsque l image est nette, le microscope est réglé. Réglage de la distance entre L 2 et les graduations Procédure : - Noter par avance le sens de rotation de la crémaillère qui éloigne l de la préparation. (L 2) Graduations dans le plan focal objet de L 2 : elles apparaissent nettes. F 2 O 2 Oculaire - Regarder latéralement la base inférieure de l pour amener doucement la préparation à son contact. Veiller surtout à ne pas écraser la préparation avec l. - Mettre l œil à l et s éloigner lentement de la préparation grâce à la crémaillère, dès que l image apparaît, la rendre plus nette au moyen du déplacement lent (vis micrométrique). a) On appelle γ 1 le grandissement de l. En utilisant les formules de Newton du grandissement, donner γ 1 en fonction de f 2 ', f 1 et d = O O 1 2 dans le cas où l œil n accommode pas. b) En déduire comment va varier le grandissement (en valeur absolue) de l du microscope en fonction de la distance focale de L 1 (on considère que la distance O 1 O 2 reste constante).

3 c) Justification par construction géométrique : on utilise tour à tour tous les s en allant du grandissement le plus faible au grandissement le plus fort (le grandissement (en valeur absolue) de chaque est inscrit sur celui-ci). Pour faciliter notre raisonnement nous nous appuyons sur les deux cas suivants : Remarques sur les schémas de principe : L objet mesure 1 cm sur le dessin et, bien que ce ne soit pas tout à fait le cas dans la pratique, on considère que la distance O O 1 2 reste constante lorsque l on change d. Cas α 1 (L 1 ) 2 F 2 = i O 1 4 Cas β (L 1 ) i On change d (on rappelle que la distance O F est 1 2 constante) F 2 = i O 1 i Comparer (f 1 ) cas α et (f 1 ) cas β puis γ ) 1 ( cas α et γ ) 1 ( cas β. Ces résultats sont-ils comparables avec le 2-2-b)? d) Comment varie la distance objet lorsque l on passe d un de moins fort grandissement à un de plus fort grandissement (par exemple, on passe d un 4 à un 10)? On répondra en s appuyant sur les deux cas α et β et on vérifiera expérimentalement le phénomène. e) Démontrer que l on peut écrire G µ = γ 1. G oc (avec respectivement G µ et G oc grossissements commerciaux du microscope et de l oculaire et γ 1 grandissement transversal de l ).

4 3-Mesure de l indice d un verre et étalonnage de la vis micrométrique. 3-1 Préparation a) On considère un dioptre plan Milieu d indice n 1 I est éclairé par la gauche I est le point d incidence du rayon dessiné. près la traversée du dioptre, le rayon semble provenir de image de à travers le dioptre. Donner la relation de conjugaison entre et dans les conditions de Gauss. On donnera l expression sous la forme : O en fonction de n 1, n 2 et O ' O Milieu d indice n 2 b) Grâce au a) donner la relation de conjugaison entre et dans le cas suivant (lame de verre d indice n et d épaisseur e) : En se servant du résultat du 3-1-a) et en remarquant que O " O = " on exprimera au final cette distance algébrique " en fonction de n et de e. Démonstration : Milieu d indice 1 I Lame de verre d épaisseur e Milieu d indice 1 O Milieu d indice n c) En déduire la relation qui donne n en fonction de e et ". 3-2 Etalonnage de la vis micrométrique. Mesure de l indice de réfraction d une lame. Profondeur de champ a) Etalonnage de la vis micrométrique -Mesurer l épaisseur e en mm de la lame de verre étudiée grâce au palmer.

5 Sur la plaque support est dessiné un objet (on peut prendre la plaque sur laquelle est représenté un cercle gradué : micromètre ). Dans un premier temps, la lame de verre étudiée n est pas sur le support et on fait une visée de afin de voir net cet objet au microscope. On ajoute la lame de verre étudiée sur laquelle figure un objet dessiné sur la face supérieure (par exemple avec du correcteur blanc). On joue alors sur la vis micrométrique jusqu à voir nettement en comptant le nombre de tours de vis nécessaires à cela. insi nous obtenons une mesure de e «en nombre de tours de vis micrométrique». Plaque support Objectif Zone où l on dessine un objet Lame de verre étudiée Lame de verre étudiée Plaque support Type d e (tours de vis µ) Remarque : les mesures sont possibles pour le 40 et le 60 mais, pour les premiers tours de vis, on ne peut pas mettre la lame de verre car l est trop près. u bout de quelques tours on insère la lame. - Cette mesure de e dépend elle à priori de l choisi (on justifiera la réponse)? - vec quel obtenons-nous la meilleure précision (on justifiera la réponse)? - Donner ainsi la valeur la plus précise de e, et grâce à cette valeur, donner l équivalent en mm d un tour de vis micrométrique (étalonnage). b) Mesure de l indice n du verre -En l absence de la lame de verre on vise -On met la lame et on «joue» sur la vis micrométrique jusqu à voir l image de à travers la plaque nette en comptant le nombre de tours de vis micrométrique. Objectif Ce nombre de tour de vis micrométrique correspond à ". En effet on ne modifie pas le tirage (distance entre Cales l oculaire et l ) du microscope, il est donc toujours réglé pour voir net à une même distance de l objet observé. ir Lame de verre étudiée Plaque support insi, on connaît e et ": et on en déduit la valeur de l indice de réfraction n de la lame de verre étudiée. -On fera cette opération avec les s 4 et 10 (cela n est pas possible avec le 40 et le 60). Montrons dans un premier temps que, si l on enlève les cales, on obtient exactement les mêmes résultats. Si I était l objet, I serait l image. Or il est clair sur le dessin que " = I I" Donc on obtiendrait le même résultat sans les cales Milieu d indice 1 I Lame de verre d épaisseur e I Milieu d indice 1 O O Milieu d indice n

6 - Mesure de '' Type d ' ' en nombre de imposssible impossible tour de vis µ ' ' en µm -Détermination de l indice n du verre étudié : Type d Indice n de la lame Impossible Impossible c) La plage de netteté est la distance entre les 2 positions extrêmes de l objet telles que l œil puisse voir nette l image finale. C est donc la différence entre les deux positions de l objet telles que respectivement, l œil n accommode pas et l œil accommode au maximum. Pour mesurer la plage de netteté, on se place donc dans le cas où l œil n accommode pas, puis on diminue la distance objet jusqu à ne plus pouvoir voir nettement l objet même en accommodant au maximum. On compte le nombre de tours de vis micrométrique qui sépare les deux situations. Remarque : pour s assurer que l œil n accommode pas : Comme cela a déjà été dit, l oculaire est équipé de graduations, leur rôle (en autres) consiste à s assurer de la netteté de ce que l on vise. Si on voit l image dans le même plan que les graduations, le réglage est bon. Pour cela, il faut avoir préalablement réglé l oculaire à son œil. P L œil bouge Graduations de l oculaire Erreur de parallaxe Image finale de l objet observé P Mauvais réglage, l œil accommode On démonte donc l oculaire et on regarde au travers en s assurant d avoir assez de luminosité pour voir les graduations. On ramène alors les graduations de l oculaire dans son plan focal objet (graduations nettes). Quelle que soit la position de l œil par rapport à l oculaire elles doivent immédiatement apparaître nettes. Ensuite pour une visée au microscope, si l image est nette sans accommoder, cela implique que les images des graduations de l oculaire et de l objet observé sont immobiles l une par rapport à l autre lorsque l on bouge l œil. - Mesurer la plage de netteté en µm pour chacun des s (on utilisera l étalonnage de la vis micrométrique). Type d Plage de netteté (µm) - Conclure en précisant avec quel la profondeur de champ est la plus faible. 4-Grandissement de l 4-1 Dispositif - Comme nous l avons signalé, l oculaire possède des graduations que l on a placées au niveau de son plan focal objet (pour un œil normal, qui ainsi les voit toujours sans accommoder), c est ce que l on appelle un oculaire micrométrique. - l objet étudié sera un micromètre (objet comportant des graduations). D L 2 Objet : micromètre L 1 C F 2 Oculaire micrométrique

7 4-2 Mesures a) Regarder l oculaire micrométrique et le micromètre à l œil nu puis à travers le microscope et en déduire les longueurs exactes et CD. b) Quand l image est nette, c est que i i (image de à travers L 1 ) est dans le même plan que CD. Comme nous connaissons la longueur CD, nous pouvons en déduire la longueur i i. Grâce à ces considérations, donner γ 1 = γ pour chacun des s. Type d (mm) i i (cm) γ c) Proposer une explication de l écart entre la valeur indiquée sur l et la valeur γ obtenue. 4-3 Mesure de la taille d un objet inconnu Grâce aux mesures précédentes, on peut à présent estimer la taille de petits objets inconnus. a) On cherche le diamètre du fil 1 (pastille rouge): Type d γ Diamètre intermédiaire (cm) Diamètre du fil 1 (mm) Quelle est la mesure du diamètre la plus pertinente? b) On cherche le diamètre du fil 2 (pastille noire) : Type d γ Diamètre intermédiaire (cm) Diamètre du fil 2 (mm) Quelle est la mesure du diamètre la plus pertinente? c) Mesurer la largeur d du chas de l aiguille qui vous est proposée. On expliquera la démarche. iguille d

8 5-Puissance du microscope- Grossissement commercial du microscope 5-1 Rappels θ' Puissance : P = Où P oculaire est la puissance de l oculaire et Grossissement commercial : G = (se référer aux figures 1 et 2). On a donc aussi P = θ' θ γ θ' i i est le grandissement de l. avec θ des figures 1 et 2 et θ = dm. i i = Poculaire. avec dm = 25 cm. θ ' Donc nous avons : G =.dm = P.d m avec d m = 0,25 m, on peut écrire plus simplement : P = 4.G insi si nous déterminons G, nous en déduirons P puis P oculaire. 5-2 Principe de la mesure du grossissement commercial On se rapportera à la figure en page suivante : γ - La chambre claire est constituée d un miroir semi-réfléchissant et d un miroir incliné à 45. Ce dispositif se rajoute à l oculaire (ou bien est intégré à un oculaire). Elle permet de voir en même temps l image donnée par le microscope et des objets extérieurs à l appareil (ici du papier millimétré). En pratique ceci est réalisé en accolant par les hypoténuses deux prismes rectangles isocèles après avoir déposé sur l une des faces une armature partiellement absente du centre de la face en question. La face comporte donc une partie transparente et une partie réfléchissante. -insi on accommode pour confondre l image finale donnée par le microscope du micromètre avec le papier millimétré. Ceci va nous donner la valeur de. Dessiner pour cela sur la feuille de papier millimétré pendant que l on a l œil sur l oculaire. a) Expliquer comment cette mesure de la longueur peut nous donner G (en réalité c est G en accommodant au maximum puisque l image finale est à distance d m de l œil). b) Déterminer G puis P puis P oculaire pour chacun des s. Type d G P (δ) P occulaire (δ) c) Conclure.

9 Chambre claire : Schéma de principe Œil Miroir à 45 Chambre claire L 2 i i L 1 25cm = dm M point du papier millimétré Feuille de papier millimétré