CHAPITRE 3 La lunette astronomique et le télescope de Newton 1. Nos options pédagogiques Conformément au programme, nous nous sommes limités au cas où l’image définitive formée par la lunette ou le télescope est rejetée à l’infini. Dans le cas de la lunette astronomique, nous avons construit les images successives sur le même schéma car la construction est identique à celle du microscope. Pour le télescope au contraire, bien que le principe de construction soit encore le même nous avons pensé qu’il était plus clair de construire les images sur des schémas différents, chaque schéma représentant une étape de la construction. L’expression du grossissement d’une lunette afocale en fonction des distances focales de l’objectif et de l’oculaire n’est pas au programme mais nous l’avons établie dans le Cours car sa démonstration est demandée dans de nombreux sujets de bac. La notion de flux lumineux et les caractéristiques photométriques des instruments n’ont pas été abordées conformément au programme mais il nous a paru utile de montrer l’intérêt d’un objectif de grand diamètre dans l’observation d’objets peu lumineux (étoiles lointaines par exemple). Le principal intérêt d’un grand diamètre est le pouvoir de résolution de l’instrument. Bien que le phénomène de diffraction soit au programme du tronc commun, la notion de pouvoir séparateur a complètement disparu du programme de spécialité. On peut le regretter car c’est une caractéristique fondamentale d’un instrument d’optique alors que le grossissement n’en est pas une. 2. Découvrir Activité : Rechercher dans une encyclopédie ou sur Internet 1. L’optique adaptative corrige les effets de la turbulence atmosphérique. On intercale un miroir supplémentaire entre le miroir principal et le récepteur (caméra, appareil photo…). Ce miroir est commandé par un ordinateur qui adapte en permanence sa forme pour que l’image conserve sa qualité. 4. La quantité de lumière reçue pendant une durée donnée dépend de la surface du récepteur. Le rapport des surfaces de la pupille et du miroir est égal au carré du rapport de leur diamètre soit : 8,2 × 10 3 S --- = ---------------------- = 10 6 . 8 s Il faut environ 1 million d’yeux pour collecter autant de lumière qu’un seul miroir. ➔ Réponse à l’énigme du chapitre Dans les grands télescopes, une nacelle remplace le miroir secondaire. L’astronome observe directement au foyer image du miroir principal. 3. Activité expérimentale Modélisation d’une lunette astronomique et d’un télescope de Newton ➔ Matériel Très peu de lycées sont équipés de miroirs concaves et encore moins de miroirs plans suffisamment petits pour ne pas cacher entièrement le faisceau incident. Il nous a paru important de proposer quand même une manipulation sur le télescope. Celle-ci est réalisée à partir d’un miroir concave de 200 mm de distance focale (valeur trouvée dans les catalogues). Le miroir secondaire est réalisé en découpant dans un miroir plan ordinaire une bande de 2 cm de largeur sur 10 cm de longueur. Cette longueur permet de fixer le miroir sur un support en dehors du banc. Sa faible largeur évite qu’il cache tout le faisceau. Une feuille de papier millimétré fixée sur la table sous le banc permet d’aligner l’oculaire, le cristallin et l’écran et de mesurer les distances séparant ces différents éléments. Miroir plan sur support Position de A1B1 lanterne Foc 2. Les deux miroirs de 10 m de diamètre de l’observatoire Keck sont constitués de 36 miroirs hexagonaux de 90 cm de côté, mobiles séparément. Position de l’image donnée par le miroir plan 3. On lui doit la découverte d’Uranus en 1781 ainsi que deux de ses satellites en 1787. Papier millimétré fixé sur la table œil réduit 19 ➔ Réponses aux réflexions préalables 1 À partir de la relation f = ---- , on trouve f = 0,2 m ; C Manipulation 1 f = 0,10 m et f = 0,050 m . La lentille placée devant le calque millimétré donne du calque une image à l’infini puisque le calque est placé dans le plan focal objet de la lentille. Cette image sert d’objet à l’infini pour la lunette. Dans une lunette afocale, la distance entre les deux lentilles est égale à la somme des distances focales soit 0,2 + 0,05 = 0,25 m ou 25 cm. En théorie, la position de la lunette sur le banc n’a pas d’importance puisque l’objet observé est à l’infini. Dans la pratique, l’objet n’est pas réellement à l’infini et plus la lunette est éloignée de l’objet, plus la partie visible de ce dernier est petite. Quand un œil observe à l’infini, la rétine coïncide avec le plan focal du cristallin. Une lentille de 10 δ ayant une B∞ distance focale de 10 cm, il faut placer l’écran simulant la rétine à 10 cm de la lentille jouant le rôle du cristallin. 1. Elle se trouve à l’infini puisque l’œil réduit n’accommode pas. 2. L’image A 1 B 1 se trouve dans le plan focal objet de l’oculaire. On l’observe en plaçant l’écran 5 cm devant l’oculaire. 3. Pour un objet AB de 5 mm (5 petits carreaux du papier millimétré), l’image A 1 B 1 sur l’écran mesure 1 cm et l’angle α vaut 0,05 rad. L’hypothèse tan α ≈ α est donc justifiée. 4. L’objet AB est placé dans le plan focal objet de la 0,5 lentille de 10 δ : α = ------- = 0,05 rad . 10 5. et 6. Voir schéma ci-dessous. O1 A1 O2 F1 F2 A et A’ ∞ F’2 B1 B’ ∞ Manipulation 2 1. On retrouve α = 0,05 rad mais la remarque faite dans les réflexions préalables au sujet de la lunette restent vraies pour l’œil réduit : plus l’œil réduit est éloigné de la source plus la partie visible du calque millimétré est réduite sans que cela change la valeur de l’angle α . 0,2 2. a. On trouve α′ = 0,2 rad donc G = ---------- = 4 ce 0,05 qui correspond bien au rapport des distances focales. b. Voir démonstration page 41 du livre de l’élève. Manipulation 3 1. En appelant l’oculaire : B∞ O′ 1 l’image de O1 donée par f2 × O2 O1 1 1 1 ----------------- – --------------- = ---- ⇒ O 2 O′ 1 = ------------------------f2 O 2 O′ 1 O 2 O 1 f2 + O2 O1 5 × ( – 25 ) = ------------------------ = 6,25 cm . 5 – 25 2. et 3. Voir schéma en bas de page. 4. Toute la lumière issue de l’objet et traversant la lunette passe dans le cercle oculaire. L’image observée est donc plus lumineuse. 5. Les 6 cm correspondent à la distance qui sépare le cercle oculaire de la lentille oculaire. L’œil réduit est donc placé au niveau du cercle oculaire. A1 O1 F’1 F2 A et A’ ∞ O2 F’2 O’1 B1 B’ ∞ 20 cercle oculaire CHAPITRE 3 Manipulation 4 1. L’étoile paraît plus lumineuse quand elle est observée à travers la lunette mais, pour que la différence soit bien visible, il faut que le trou qui simule l’étoile soit très petit. L’idéal est de percer un trou à l’aide d’un foret de 1 mm de diamètre dans une feuille d’aluminium de 0,5 mm d’épaisseur. – La lunette astronomique et le télescope de Newton 5 Réaliser une lunette astronomique afocale sur un banc d’optique à l’aide de deux lentilles convergentes. Déplacer un écran derrière la lentille qui joue le rôle d’oculaire, sur l’axe de la lunette, pour trouver la position du cercle oculaire (on peut faire un petit trait au feutre sur l’objectif pour s’aider). Mesurer le diamètre d 1 du cercle oculaire puis changer la lentille qui sert L’aluminium se découpe très facilement par pliage après marquage au cutter. Pour percer le trou, serrer la feuille entre deux morceaux de contreplaqué. d’oculaire. Rechercher la nouvelle position du cercle 2. Le schéma demandé correspond à la figure 8 de la page 43. grossissement de la lunette. Tracer d en fonction de 1/G et conclure. Manipulation 5 oculaire puis mesurer à son diamètre d 2 . On peut faire ainsi plusieurs mesures. Pour chacune d’elles, calculer le 6 Dans le cas d’une lunette afocale, le grossissement 1. Le plan de l’image A 1 B 1 correspond au plan focal image du miroir puisque l’objet AB est à l’infini. est égal au quotient de la distance focale de l’objectif par celle de l’oculaire. On obtient donc pour chaque oculaire : 2. L’image A′B′ donnée par l’oculaire se trouve à l’infini car l’image est nette sur l’écran qui simule la rétine d’un œil n’accommodant pas. 100 100 G 1 = --------- = 50 ; G 2 = ---------- = 1,1 × 10 2 ; 2,0 0,90 3. et 4. On retrouve le même angle α′ que dans le cas de la lunette et le même grossissement puisque la distance focale du miroir est la même que celle de l’objectif de la lunette. On peut terminer le TP en expliquant aux élèves les avantages et les inconvénients de chacun des instruments et signaler que le grossissement maximal dépend du diamètre de l’objectif et non de la distance focale de l’oculaire. 100 G 3 = ---------- = 1,7 × 10 2 . 0,60 7 a. Le cercle oculaire est l’image A′B′ de l’objectif AB. Sur le schéma on constate que A′B′ = CD . f AB D D’après Thalès ------------- = ----1- = ----- . f2 A′B′ d A F’1 F2 4. Réponses aux exercices 1 a. Foyer image ; foyer objet. b. Miroir concave. c. Quotient ; l’objectif ; l’oculaire. d. L’image ; objet. D B’ C A’ B f′ D D Dans une lunette afocale : G = ------1- = ----- ⇒ d = ----- . d f ′2 G 2 a. Vrai. b. Faux. c. Vrai. d. Vrai. 820 b. Il faut d 8 mm donc G -------8,0 = 103 . 3 a. Dans le télescope de Newton, le foyer objet de f obj f obj 16,2 c. G = --------- ⇒ f oc = -------- = ---------- = 0,16 m . f oc G 103 8 a. Voir schéma ci-dessous. A’ ∞ α O1 A1F’1 O2 α’ F2 α’ α B1 l’oculaire coïncide avec l’image du foyer image de l’objectif donnée par le miroir secondaire. b. Pour augmenter le grossissement d’une lunette astronomique, on peut augmenter la vergence de l’oculaire. c. Pour observer dans de bonnes conditions, le diamètre du cercle oculaire doit être plus petit que le diamètre de la pupille. d. Le faisceau issu d’un point lumineux situé à l’infini converge dans le plan focal image de l’objectif. B’ ∞ 4 Un astre envoie de la lumière dans toutes les directions. Quand on l’observe à l’œil nu, on ne reçoit que le faisceau issu de l’astre qui traverse la pupille de l’œil. Quand on observe dans une lunette, on reçoit le faisceau qui traverse l’objectif. Plus celui-ci a un grand diamètre, plus la lumière reçue est importante. b. α étant un petit angle, on fera l’approximation : tan α = α . A1 B1 1,0 α = ------------- = ------- = 0,020 rad . f1 50 21 c. Voir schéma page précédente. d. Avec la même approximation : La formule du grandissement permet de calculer le diamètre du cercle oculaire : A1 B1 1,0 α′ = ------------- = ------- = 0,20 rad . f2 5,0 O 2 O′ 1 0,11 A′B′ = AB × ----------------- = 4 × ---------- = 0,4 cm = 4 mm . 1,1 O2 O1 α′ 0,20 e. G = ----- = ------------- = 10 . α 0,020 f. Voir schéma ci-dessus. Le calcul a été fait en valeur absolue puisque l’objectif est symétrique par rapport à l’axe optique. On pouvait également trouver la dimension du cercle oculaire en utilisant le grossissement. 9 a. Il faut utiliser la lentille qui a la plus grande distance focale c’est-à-dire celle qui a la plus petite ver- 10 a. L’image A′B′ gence C 1 = 1,0 δ ⇒ f 1 = 1,0 m . O 2 A′ = – 40 cm . b. Voir schéma ci-après. O 2 A′ × f 2 – 40 × 10 O 2 A 1 = ------------------------ = ---------------------- = – 8 cm . 10 + 40 f 2 – O 2 A′ A F’1 O1 F2 B’ O’1 A’ D C O2 B est à 40 cm de l’oculaire : b. L’angle sous lequel est vu AB est aussi l’angle sous lequel on voit A 1 B 1 depuis l’objectif : A1 B1 α = --------------- ⇒ A 1 B 1 = α O 1 A 1 = α × f 1 O1 A1 car l’image d’un objet à l’infini se forme dans le plan focal image. A 1 B 1 = 2,0 × 10 –2 × 0,50 = 1,0 × 10 –2 m = 1,0 cm . c. Appliquons la formule de conjugaison : 1 1 1 ----------------- – --------------- = ---- ⇒ f O 2 O′ 1 O 2 O 1 2 O2 O1 × f2 – 1,1 × 0,10 O 2 O′ 1 = ------------------------- = ----------------------------- = 0,11 m . – 1,1 + 0,10 O2 O1 + f2 O 2 A′ A′B′ – 40 γ 2 = -------------- = -------------- = ---------- = 5 ⇒ –8 O2 A1 A1 B1 A′B′ = 5 × 1,0 = 5,0 cm . c. B∞ A∞ α F2 A1 A’ α O1 α’ F’1 B1 F’2 O2 C B’ O2 C A1 B1 1,0 d. α′ = ----------- = ------------- = ------- = 0,10 rad . f2 f2 10 α′ 0,10 e. G = ----- = ------------------------- = 5,0 . α 2,0 × 10 –2 f. Dans le cas d’une lunette afocale f 50 G = ---1- = ------ = 5,0 . f2 10 On retrouve le même grossissement. Ceci n’est vrai que si l’œil est placé au foyer image de l’oculaire. 22 11 a. Voir schéma page ci-contre. L’image du miroir principal C 1 D 1 est symétrique du miroir CD par rapport au plan du miroir secondaire. b. À l’échelle du schéma C′D′ = 8 mm . c. Retrouvons la position et le diamètre du cercle oculaire à l’échelle du schéma. O2 S1 = O2 F2 + F2 S1 . F 2 S 1 = – f 1 ( f 1 distance focale du miroir principal) f 1 = 7 cm . CHAPITRE 3 O2 S1 = – ( f1 + f2 ) S1 D1 – La lunette astronomique et le télescope de Newton = – 8,6 cm . C1 O2 S1 × f2 O 2 S′ = ----------------------f2 + O2 S1 – 8,6 × 1,6 = -------------------------1,6 – 8,6 = 2,0 . O 2 S′ γ 2 = ------------O2 S1 S F1 C′D′ = -------------C1 D1 C f1 = 7 cm C′D′ = ------------- . CD F2 D O 2 S′ 2,0 C′D′ = CD × ------------- = 3,4 × ------- = 0,79 cm . O2 S1 8,6 O2 C′D′ = 7,9 mm . Ce résultat est en parfait accord avec la mesure directe sur le schéma. d. Toute la lumière qui quitte le télescope traverse le cercle oculaire. Si ce dernier a un diamètre inférieur à celui de la pupille, toute la lumière pénètre dans l’œil. f2 = 1,6 cm F’2 D’ S’ C’ 12 E + + F’2 F2 F1 S G + + La distance focale f 2 étant très inférieure à f 1 , il faut pratiquement que l’image de F 1 dans le miroir plan coïncide avec le sommet S du miroir principal. Les lois de la réflexion montrent que dans ces conditions le miroir secondaire est au milieu du télescope et EG = CD/2 : le miroir plan cache une partie importante du faisceau incident. L’utilisation d’un miroir convexe permet de diminuer la taille du miroir. F1 F1 F2 S O2 23 13 A’ ∞ B’ ∞ C B∞ A∞ A1 F1 S B1 A2 F2 B2 D O2 F’2 C’ D’ d. Voir schéma ci-dessus. e. Voir schéma ci-dessus (le faisceau n’est grisé qu’après sa réflexion sur le miroir plan). f. En ( ) sur le schéma. g. Le cercle oculaire est à l’intersection des 2 faisceaux ( C′D′ ) . a. AB étant à l’infini, A 1 B 1 est dans le plan focal du miroir principal. Un seul rayon suffit à construire cette image : celui qui arrive en passant par le foyer F 1 est réfléchi parallèlement à l’axe principal. b. L’image A 2 B 2 symétrique de A 1 B 1 par rapport au plan du miroir est dans le plan focal objet de l’oculaire. c. Le télescope est afocal. Dans ces conditions A′B′ est rejetée à l’infini. B’ 14 a. Le schéma (ci-dessous) est réalisé à l’échelle 1/2. b. A’ A1F1 θ B1 B2 F2 A2 O2 F’2 24 S CHAPITRE 3 – La lunette astronomique et le télescope de Newton ⇒ 15 a. Le foyer objet de l’oculaire doit coïncider avec Calculons la position de A 2 B 2 par rapport à l’oculaire : l’image du foyer du miroir principal donnée par le miroir plan. b. Dans le cas d’un télescope afocal c. L’œil voit l’image à 20 cm du cristallin O 2 A′ = – 16 cm car f 2 = 4 cm . O 2 A′ × f 2 1 1 1 -------------- – --------------- = ---- ⇒ O 2 A 2 = ------------------------ = f O 2 A′ O 2 A 2 f 2 – O 2 A′ 2 f 200 G = ---1- = --------- = 4 ,0 . f2 50 – 16 × 4 ------------------- = – 3,2 cm . 4 + 16 L’oculaire est donc situé à 3,2 cm de A 2 B 2 . d. Voir schéma de la page précédente. 16 B’3 ∞ L2 L3 B’2 A’1 F2 O2 F’2 F’3 A’2 F3 O3 B’1 f 2 × O 2 A′ 1 1 1 1 1. a. ----------------- – ----------------- = ---- ⇒ O 2 A′ 2 = --------------------------= f f 2 + O 2 A′ 1 O 2 A′ 2 O 2 A′ 1 2 2,0 × – 4,0 -------------------------- = 4,0 cm . 2,0 – 4,0 b. Voir schéma ci-dessus. O 2 A′ 2 4,0 - = ----------- = – 1,0 . c. γ 2 = ---------------– 4,0 O 2 A′ 1 2. a. En gras sur le schéma ci-dessus. b. Le faisceau émergent est un faisceau //. Le point image B′ 3 est à l’infini ( B′ 2 dans le plan focal objet de L 3 ). 3. a. A′ 1 B′ 1 est situé dans le plan focal image de L 1 puisque AB est à l’infini. A′ 1 B′ 1 est à 4 cm de O 2 donc à 20 cm de O 1 car O 1 O 2 = 24 cm . On en déduit f 1 = 20 cm . b. L1 L2 B’3 ∞ L3 B’2 B∞ A∞ O1 A’1 F’1 F2 O2 F’2 F3 A’2 O3 B’1 c. La lentille L 2 sert à remettre l’image à l’endroit sans changer sa dimension. d. Dans une lunette astronomique l’image est à l’envers (On ne cherche pas à retourner l’image car l’introduction d’une lentille supplémentaire diminue la luminosité de l’instrument). 17 1. A 1 B 1 = θ × f 1 . θ = 0,50° = 8,7 × 10 –3 rad . A 1 B 1 = 8,7 × 10 –3 × 1 000 = 8,7 mm . 2. Dans le cas d’un télescope afocal A2 B2 A1 B1 8,7 θ′ = ------------- = ------------- = ------- = 0,44 rad . f2 f2 20 25 θ′ 0,44 3. G = ---- = ------------------------- = 50 . θ 8,7 × 10 –3 Calculons le grandissement : A1 B1 O1 A1 6 γ = ------------- = -------------- = ------- = – 3 . – 2 AB O1 A 4. Dans le cas d’un télescope afocal ; f 1 000 G = ---1- = ------------- = 50 . f2 20 5. a. Le miroir a un diamètre de 100 mm : ⇒ G max = 2,5 × 100 = 250 . f1 f1 1 000 b. G max = ------------- ⇒ f 2 min = ------------= ------------- = 4 mm . f 2 min G max 250 5. Réponses aux problèmes de Bac (p. 55 à 58) L’image est donc trois fois plus grande que l’objet soit 1,5 cm. Le signe (–) signifie qu’elle est renversée. L’image A 1 B 1 sert d’objet pour la lentille L 2 . Il est situé à 3 cm de O 2 . Calculons la position de l’image définitive A′B′ . f2 × O2 A1 1 1 1 -------------- – --------------- = ----- ⇒ O 2 A′ = ------------------------f2 O 2 A′ O 2 A 1 f2 + O2 A1 4 × (– 3) = --------------------- = – 12 cm . 4–3 Calculons le grandissement : O 2 A′ – 12 γ = -------------- = ---------- = 4 . –3 O2 A1 1 1. a. Utilisons la formule de conjugaison : f ′1 × O1 A 1 1 1 --------------- – ------------ = ---- ⇒ O 1 A 1 = ------------------------f1 O1 A1 O1 A f ′1 + O1 A 1,5 × ( – 2 ) = -------------------------- = 6 cm . 1,5 – 2 L’image A′B′ est donc 4 fois plus grande que A 1 B 1 soit 12 fois plus grande que AB. b. Ce dispositif permet d’obtenir une image très agrandie. c. Voir schéma ci-dessous. L2 L1 B O1 A’ F’1 F2 A1 O2 A F1 F’2 B1 B’ 2. a. Le principe du calcul est rigoureusement le même que dans le 1). Il suffit de remplacer les valeurs numériques. Pour l’image A 1 B 1 , on obtient : f1 × O1 A 2,000 × – 2,040 O 1 A 1 = ----------------------- = -------------------------------------- = 102 ,0 mm . 2,000 – 2,040 f1 + O1 A Calculons le grandissement : O1 A1 102,0 γ 1 = -------------- = ----------------- = – 50,00 . – 2,040 O1 A L’image A 1 B 1 sert d’objet pour la lentille L 2 . La distance O 2 A 1 est égale à : 12,000 – 10,20 = 1,800 cm . 26 f2 × O2 A1 2,000 × ( – 1,800 ) O 2 A′ = ------------------------- = ------------------------------------------ = – 18,00 cm . 2,000 – 1,800 f2 + O2 A1 O 2 A′ – 18,00 γ 2 = -------------- = ----------------- = – 10,00 . O2 A1 1,800 Le grandissement total du microscope est : γ = γ 1 × γ 2 = – 50,00 × 10,00 = – 500,0 . L’image définitive est 500 fois plus grande que l’objet. Elle a donc une hauteur de 0,500 mm. b. L’image définitive est située à 18 cm en avant de la lentille L 2 donc à 20 cm du foyer F ′ 2 . PARTIE 1 L’œil qui est placé au foyer image de l’oculaire accomode au maximum pour l’observer. Il ne peut pas regarder longtemps sans fatiguer. Pour que l’œil observe l’image sans fatigue, il faut qu’elle soit à l’infini. Dans ce cas, l’œil voit nettement sans accomoder donc sans fatiguer. Pour que l’image A′B′ soit rejetée à l’infini, il faut que l’objet A 1 B 1 se trouve dans le plan focal objet de l’oculaire. Le point A 1 doit donc être confondu avec F 2 . Pour l’instant, il se situe à 1,800 cm de O 2 . Il faut donc le reculer de 0,200 cm. L’objet et l’image se déplacent dans le même sens. Pour reculer l’image, il faut donc reculer l’objet de 0,82 µm. Le déplacement de l’objet étant inférieur à 1 µm, le déplacement n’est possible avec la précision demandée que si le microscope est muni d’une vis micrométrique de réglage. 2 I. Système optique à 1 lentille L 3 d O3 b. B’ B F’3 O3 A’ F3 A c. L’image est à l’endroit et plus grande que l’objet. d. Si on place l’œil derrière la lentille L 3 , on observe l’image agrandie de l’objet AB : la lentille est utilisée en loupe. 1 1 1 OA′ 4. a. ----------- – ---------- = ----------- (1) γ = ----------- . OA′ OA OF ′ OA multipliant (1) par OA : 1 OA --- – 1 = ----------- ; γ OF ′ 1 OA OA –1 --- = 1 + ----------- ; γ = 1 + ----------- . γ OF ′ OF ′ c. Pour OA = – 43 cm ⇒ γ = – 3,5 l’image est 3,5 fois plus grande que l’objet. F’3 F3 3. a. On ne peut pas recevoir l’image sur un écran si la distance lentille-objet est inférieure à la distance focale. b. En 1. L’élève observe la lettre p car sur l’écran l’image est renversée (distance objet-lentille > f 3 ). – Produire des images, observer p Pour OA = – 63 cm ⇒ γ = – 1,1 l’image a pratiquement la même taille que l’objet. Pour diminuer la taille de l’image sur l’écran, il faut éloigner l’objet de la lentille. 2. La lentille L 3 a une distance focale 1 1 f 3 = ----- = --- = 33,3 cm . c3 3 L’élève place donc l’objet pratiquement dans le plan focal. Dans ces conditions, l’image est rejetée à l’infini : le banc n’est pas assez long. 5. La lentille L 8 est plus convergente que L 3 . Pour une même distance lentille objet, la distance lentille image est plus petite : il faut rapprocher l’écran. II. Système optique à deux lentilles 1. Le texte indique que l’objectif est plus convergent que l’oculaire. Il faut donc choisir L 8 . 2. L8 B F 8 A L3 F’8 O8 F3 F’3 A’ B’ 3. Voir schéma ci-dessus : l’objectif doit former une image renversée de l’objet située entre les deux lentilles donc O 8 A > f 8 . 4. L’image définitive est à l’infini si l’image intermédiaire se trouve dans le plan focal objet de l’oculaire. 5. Voir schéma. 3 1. Quand on place un diaphragme de faible ouverture devant l’objectif, la qualité est améliorée car le diaphragme permet de réaliser une des deux conditions de Gauss : les rayons passent près du centre optique. 27 b. Utilisons le grandissement de la lentille : 2. a. Calculons la position de l’objet à l’aide de la formule de conjugaison : O 1 A′ O 1 A′ A′B′ γ = ------------- = -------------- ⇒ A′B′ = AB × -------------- = O1 A O1 A AB 1 1 1 1 1 1 -------------- – ------------ = ---- ⇒ ------------ = -------------- – ---- = f f O A O 1 A′ O 1 A O 1 A′ 1 1 1 140 4,0 × ---------- = – 14,7 mm . – 38 f 1 – O 1 A′ f 1 × O 1 A′ ------------------------ ⇒ O 1 A = ------------------------. f 1 × O 1 A′ f 1 – O 1 A′ Le signe (–) indique que l’image est à l’envers par rapport à l’objet. Les distances peuvent être exprimées en cm puisqu’elles interviennent dans un rapport. Application numérique : 30 × ( 170 – 30 ) O 1 A = -------------------------------------- = – 38 mm . 30 – ( 170 – 30 ) L1 L2 sens de propagation de la lumière B A” ∞ 3. a. b. et c. Voir schéma ci-dessous. O1 F2 A’ α’ F’1 A F 1 F’2 O2 α’ B’ B” ∞ 4. a. Avec OA = 250 mm et AB = 4,0 mm : AB 4,0 α = tan α = ---------- = --------- = 1,6 × 10 –2 rad . OA 250 b. L’angle α′ est placé sur le schéma ci-dessus. En supposant que cet angle est petit : A′B′ 14,7 α′ = tan α′ = ------------- = ---------- = 0,49 rad . f2 30 α′ 0,49 G = ----- = ------------------------- = 30,6 . α 1,6 × 10 –2 A2 ∞ sur l’axe O1 4 I. Étude de l’objectif modélisé par L 1 1. On forme l’image du soleil ou d’une source lointaine : la distance entre la lentille et l’écran est égale à la distance focale de la lentille. c. Calculons le grossissement : B F1 0,25 × 0,110 0,25∆ d. G C = --------------- = ---------------------------------- = 30,6 . 0,030 × 0,030 f1 × f2 2. a. Échelle : – 1/10 horizontalement. – 1/1 verticalement. F’1 A1 F2 F’2 O2 α’ A B1 B2 ∞ b. En mesurant sur le schéma ci-dessus on trouve O 1 A = – 12,5 cm ; AB = 2,5 mm . A1 B1 O1 A1 10 50 ------------- = ----------- = – 4,0 ; -------------- = -------------- = 4,0 ; – 2,5 – 12,5 AB O1 A 28 O1 A1 A1 B1 ⇒ --------------- = ------------- . Ce rapport est appelé grandisseO1 A AB ment γ 1 de la lentille L 1 . c. L’image est plus grande que l’objet et elle est renversée. PARTIE 1 II. Étude de l’oculaire modélisé par L 2 1. Voir schéma de la page précédente. 2. A 1 B 1 est dans le plan focal objet de l’oculaire. L’image A 2 B 2 est donc à l’infini. 3. Voir schéma. III. Étude du microscope réduit modélisé par L 1 et L 2 1. a. La courbe obtenue est une droite passant par l’origine : P = k F ′ 1 F 2 . Calculons la pente de cette droite 15 – 7 k = --------------------------- = 53 m –2 . 0,30 – 0,15 La relation donne k = C 1 × C 2 = 10 × 5 = 50 m –2 . Compte tenu de la précision de la mesure on peut affirmer que la relation (3) est en accord avec les résultats expérimentaux. – Produire des images, observer b. Quand la distance passe de 13 à 17 cm, la puissance est divisée par 2. Il faut donc rapprocher l’objet pour avoir une puissance plus grande. 2. P = C 1 × C 2 × F ′ 1 F 2 = 100 × 40 × 0,17 = 680 δ . 5 a. La flèche doit être dans le plan focal objet de la lentille. Il faut donc placer la lentille à 10 cm du calque. b. si h est la hauteur de la flèche h 2,5 α = --- = --------- = 2,5 × 10 –2 rad . f 100 c. L’image A 1 B 1 de l’objet placé à l’infini se situe dans le plan focal du miroir A 1 B 1 = α × f 1 = 2,5 × 10 –2 × 40 = 1,0 cm . d. A’ ∞ B’ ∞ A1 F’1 M S α B1 F2 A2 B2 α’ O2 F’2 e. Pour obtenir un télescope afocal, l’image A 2 B 2 doit se trouver dans le plan focal objet de l’oculaire. F 2 confondu avec l’image de F ′ 1 donnée par le miroir plan. f 40 h. G = ---1- = ------ = 4,0 . f2 10 MO 2 = MF 2 + F 2 O 2 MO 2 = 10 + 10 = 20 cm . MF 2 = MF ′ 1 = 10 cm i. Voir schéma ci-dessus. 6 I. L’objectif f. Voir schéma ci-dessus. A2 B2 A1 B1 1,0 g. α′ = ------------- = ------------- = ------- = 0,10 rad ⇒ f2 f2 10 α′ 0,10 G = ----- = ------------------------- = 4,0 . α 2,5 × 10 –2 1. a. Pour un objet à l’infini (soleil) l’image se forme dans le plan focal image donc f ob = distance lentilleécran = 800 mm. Voir schéma en bas de page. Cette mesure est parfait accord avec le texte. B∞ α A F O F’ α A’ B’ 29 d d b. α = ------T- = -----s ; f ob D AB 0,8 b. θ = --------- = ------- = 0,13 rad . f 6 ds 1,4 × 10 6 d T = f ob × ----- = 800 × ----------------------8 = 7,5 mm . D 1,5 × 10 2. La lentille achromatique supprime les irisations de l’image. Ce défaut est appelé aberration chromatique. II. Les oculaires 0,8 1. α = --------- = 2,7 × 10 –3 rad . 300 2. Le texte doit être dans le plan focal objet de l’oculaire : la distance feuille-lentille est égale à la distance focale de l’oculaire. 3. a. B A F θ θ O F’ θ 0,13 G = --- = ------------------------- = 49 . α 2,7 × 10 –3 III. La lunette 1. a. Dans une lunette afocale, le foyer image de l’objectif coïncide avec le foyer objet de l’oculaire donc f = f ob + f oc . b. Voir schéma ci-dessous. 2. a. Voir schéma ci-dessous. A1 B1 ε = ------------- f ob f ob A1 B1 f ob ε′ b. -. - = -------------- × -------------- = ----- ⇒ G = --f oc A1 B1 f oc ε A1 B1 ε′ = -------------- f oc 800 800 c. G 1 = --------- = 133 ; G 2 = ---------- = 64 ; 6 12,5 800 G 3 = --------- = 40 . 20 AB θ = --------- . f oc Plus f oc est petite, plus θ est grand. Il faut donc choisir l’oculaire de 6 mm. O1 Ces grossissements sont conformes à ceux annoncés. ε′ = G × ε ; ε = 1 minute = 2,9 × 10 –4 rad . ε′ 1 = 3,9 × 10 –2 rad ; ε′ 2 = 1,9 × 10 –2 rad ; ε′ 3 = 1,2 × 10 –2 rad . 3. Julien découvre le rôle de collecteur de lumière joué par sa lunette. F’1F’2 ε A1 B1 30 F’2 O2 ε’ ε’