EXPÉRIENCE 7 INSTRUMENT D'OPTIQUE I. Introduction et objectifs II. ÉQUIPEMENT Lentilles Supports à lentilles et écran Source lumineuse Numéro de la boîte de lentilles Règle métrique Banc d optique Diaphragme Le présent laboratoire vous permettra de saisir les principes de base de quelques instruments d'optique conçus pour nous permettre un examen attentif d'un objet. Pour chaque instrument, l'image finale obtenue devra donc être grossie (vue sous un angle meilleur que si nous observions l'objet à l œil nu). Après cette expérience, vous devrez être capable : III. THÉORIE A. La loupe On peut améliorer sensiblement l'acuité visuelle de l œil humain en plaçant devant l œil une lentille convergente de faible distance focale. En effet, d'après la figure 1, l'objet qui était vu, au mieux, sous l'angle α 25 par l œil nu (soit la distance minimale de vision distincte), est vu, après interposition de la lentille sous un angle β beaucoup plus grand (voir la figure 2). 1. d'établir les principes de base des appareils d'optique tels la loupe, le microscope, la lunette terrestre et la lunette astronomique; 2. de déterminer graphiquement et de façon analytique, la position de l'image pour ces instruments d'optique; 3. de discuter de la nature des images formées par ces instruments. Figure 1. La taille apparente d'un objet est déterminée par l'angle sous lequel il est intercepté à partir de l œil. Cet angle est maximal lorsque l'objet est situé à la distance minimale de vision distincte, supposée égale à 25 cm.
l'objectif. - une deuxième lentille de plus grande distance focale foc: l'oculaire. Ces deux lentilles sont disposées aux deux extrémités d'un tube (voir la figure 3). Figure 2. Un objet réel situé à une distance d'une lentille convergente qui est inférieure à sa distance focale donne une image virtuelle agrandie. Le grossissement G d'une lentille simple (loupe) est défini comme étant le rapport de l'angle interceptant l'image produite par la lentille à l'angle intercepté lorsque l'objet lui-même est à 25 cm: G= β α25 Équation 1 ou encore G = 0,25 p Figure 3. Dans un microscope, l'objectif forme une image réelle à une distance de l'oculaire inférieure à sa distance focale; l'oculaire agit comme une simple loupe. Le grossissement du microscope est par définition, égal à G= Équation 2 où p est exprimé en mètre. B. Le microscope Cet instrument est destiné à l'observation d'objets très petits, le plus souvent invisibles à l œil nu. Il doit donc présenter un fort grossissement. Il est constitué essentiellement par : - une première lentille de très petite distance focale fobj: β α25 Équation 3 On peut également démontrer que : G=- qobj 0,25 pobj poc Équation 4 où qobj, pobj et pe sont exprimés en mètre.
C. Les lunettes ii) i) La lunette terrestre La lunette astronomique La lunette comprend un objectif de grande longueur focale et une loupe (ou oculaire) de courte longueur focale. La marche des rayons est illustrée dans les figures ci-dessous. Un objectif forme une image réelle dans son plan focal (d'un objet à l'infini). Cette image, située à une distance de l'oculaire poc qui est inférieure à sa distance focale, est agrandie au moyen d'une loupe. Le grossissement du télescope est : G= fobj poc Équation 5 Dans la lunette terrestre (ou de Galilée), l'oculaire est une lentille divergente. Figure 5 Dans une lunette de Galilée, l'oculaire est une lentille divergente DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE Réalisez les manipulations proposées (pages suivantes) sans oublier de répondre aux différentes questions. LENTILLES DISPONIBLES Figure 4 L'objectif d'une lunette astronomique donne une image réelle à une distance de l'oculaire inférieure à sa distance focale; l'oculaire joue le rôle d'une simple lentille. Lentille Distance focale A + 5 cm B + 12,5 cm C + 37,5 cm D + 50 cm E - 10 cm F - 20 cm
La loupe Regardez la règle ci-contre (ou toute autre règle millimétrique) au travers des lentilles A et B, une à la fois. Obtenez de l objet une image droite la plus grosse possible sans être trop déformée. Mesurez alors la distance objet et estimez le grossissement obtenu à l aide d une autre règle identique posée sur la lentille. Inscrivez vos mesures et résultats dans le tableau. Le grossissement théorique s évaluant en divisant 25 par la distance focale en cm, calculez ce grossissement pour chacune de vos lentilles (A et B) et inscrivez les résultats dans le tableau. Lentille A Lentille B Distance focale (cm) Grossissement théorique Distance objet (cm) Grossissement observé
Le microscope Le microscope est un instrument d optique qui sert habituellement à observer des objets très petits. Il est, pour l essentiel, composé de deux groupes de lentilles appelés objectif et oculaire. Utilisez comme objectif une lentille de très courte distance focale (lentille A) et obtenez sur votre écran une image agrandie de votre source lumineuse. Prenant comme oculaire une lentille de plus grande distance focale (lentille B), placez-la derrière l écran à une distance correspondant approximativement à sa distance focale. Retirez l écran et placez votre oeil près de l oculaire et examinez attentivement l image en complétant au besoin l ajustement des distances entre les lentilles. L image finale est-elle réelle? Est-elle droite? Lentille A Lentille B
La lunette astronomique La lunette est un instrument d optique destiné à l observation des objets éloignés et dont l objectif est constitué d une lentille convergente de grande distance focale. La lunette astronomique est particulièrement destinée à l observation des astres. Pour en constituer une, utilisez comme objectif une lentille de grande distance focale (lentille D) et formez sur votre écran, une image nette d un objet très éloigné. Placez ensuite l oculaire (lentille B) à une distance correspondant à sa distance focale de l autre côté de l écran. (Voir figure) Retirez l écran; observez en collant votre oeil sur l oculaire, complétant les ajustements au besoin. Donnez les caractéristiques de l image finale observée. Évaluez le grossissement. Lentille D Lentille B Objet éloigné
La lunette terrestre La lunette terrestre (de Galilée) est particulièrement adaptée pour observer des objets de notre environnement et nous en donner une image droite. Afin de réaliser une lunette terrestre, utilisez la lentille D comme objectif et formez sur votre écran une image nette d un objet éloigné. Utilisez comme oculaire la lentille divergente E et placez-la en avant de l écran à une distance correspondant à la valeur absolue de sa distance focale. Lentille D Lentille E Objet éloigné Retirez l écran et placez votre oeil à proximité de l oculaire, complétant les ajustements au besoin. Donnez les caractéristiques de l image observée. Évaluez le grossissement obtenu. Lentille D Lentille E Objet éloigné
La lentille divergente Vous servant des lentilles E et B, réalisez le montage optique suivant afin d obtenir une image nette sur l écran. Lentille E Lentille B Assurez-vous que l image observée sur l écran est bien le résultat de l association des deux lentilles. Afin de vérifier ce fait, retirez temporairement la lentille E du montage, l image sur l écran devrait disparaître en tout ou à tout le moins devenir très floue. Si c est le cas, replacez la lentille E et notez toutes les distances sur la figure ci-haut. Vous servant des mesures précédentes et de la distance focale connue de la lentille convergente, calculez la distance focale de la lentille divergente.