Loupe et microscope (principe)
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TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 Loupe et microscope (principe) Travail préliminaire : lire tout le texte et préparer (avant la séance de TP) les questions numérotées. Cette préparation devra apparaître dans le compte rendu, rendu obligatoirement en fin de séance. 1 La loupe Introduction : l'oeil est un système convergent, qui ne peut voir que des objets réels et des images virtuelles (oeil "normal"). Pour information, voir la planche “ défauts de l’oeil ” affichée en salle de TP. But : on veut utiliser un instrument qui va donner d'un petit objet réel une image virtuelle agrandie : la loupe. Q1 : montrer que ceci n'est possible qu'avec un système optique convergent, dont on précisera les conditions d'utilisation. Remarque : on supposera que le système est une lentille mince. 1.1) Généralités Une loupe est un système convergent, assimilable à une lentille mince, de faible distance focale (une dizaine de cm). On l'utilise pour observer de petits objets, difficiles à observer à l'oeil nu sans fatigue. L'objet est placé entre le plan focal objet et la lentille. L'image ainsi obtenue est donc virtuelle, droite et agrandie : l'oeil peut l'observer. Exemple : une personne âgée utilise une loupe pour lire le texte d'un journal. Définitions importantes : Puissance : soit AB la taille de l'objet et ' l'angle sous lequel on observe son image, donnée par la loupe (voir figure 1, page suivante). La puissance P d'une loupe est le rapport P . AB Avec P en dioptries (ou m 1 ), ' en rad. et AB en m. On appelle puissance intrinsèque, notée Pi D 1 , la valeur de P obtenue dans les deux cas f particuliers suivants : -L'objet est dans le plan focal objet [ F ]. L'image A'B' est à l'infini, et vue sans accommodation par un oeil normal (emmétrope). ' est alors indépendant de la position de l'oeil. Toutefois, en pratique, on place l'oeil près de la loupe de manière à augmenter le champ page 1 / 6 TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 visuel. page 2 / 6 TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 -L'oeil est placé dans le plan focal image [ F' ]. L'image se forme entre le point proche et le point éloigné de l'oeil et est vue en accommodant plus ou moins. Elle est plus ou moins grande, mais son diamètre apparent ' est invariable. En dehors de ces deux cas particuliers, P dépend de f ', de la position de l'objet et de la position de l'oeil. En pratique, on s'approche toujours beaucoup de P Pi. Grossissement : A l'oeil nu, il faut placer l'objet au point proche, c’est à dire à d m pour l'observer dans les meilleures conditions possibles. On appelle m le diamètre apparent correspondant. Grâce à la loupe, on peut observer l'image, qui semble placée à d m , sous l'angle ' > m . ' C'est là l'intérêt de l'instrument. On appelle grossissement le rapport G . On voit aussi m ' i' (voir figure 2, ci-dessous ) que est aussi égal au rapport des images rétiniennes. m i Figure 2 : Q2 : montrer que G = P. dm , avec dm : distance du point proche à l'oeil. 1 Par convention, on prend dm = 25 cm = m. Dans ce cas, l'image est rejetée à l'infini, et G 4 Pi devient Gc = . Gc est appelé grossissement commercial de la loupe. 4 page 3 / 6 TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 1.2) Manipulations Mesure du grossissement à l'aide d'une chambre claire 1.2.1) Principe L'idée consiste à superposer deux images virtuelles (voir figure 3), toutes deux placées à la distance dm = 25 cm. Une des deux images est une règle en vraie grandeur, l'autre est l'image agrandie de l'objet dont on connaît les dimensions. Il suffira de lire les dimensions de l'image agrandie pour arriver à G et P, car dans les conditions d'observation, on a : A B G m AB On appellera chambre claire le dispositif qui permet de réaliser cette superposition. Q3 : démontrer que G = , dans les conditions décrites. On prendra le quadrillage d'un papier millimétré pour objet AB (AB = 1 mm, par exemple). La mesure de A'B' est donnée par la règle. 1.2.2) Schéma du montage : il est donné figure 4, ci dessous : O désigne le centre de l'oeil de l'observateur. La loupe (L) est symbolisée par la lentille mince convergente. (Lm) désigne la lame mince qui fait office de chambre claire. page 4 / 6 TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 Q4 : montrer que M'N' est bien l'image de la règle donnée par la lame. Quel dispositif connu donnerait la même image ? Remarque : le dispositif chambre claire peut désigner indifféremment une lame transparente mince, une lame semi-réfléchissante ou un prisme de Govi (qui correspond à une lame semiréfléchissante épaisse). Exemple : un miroir plan dont le tain a été enlevé peut constituer un excellente chambre claire. La difficulté de cette manipulation va donc consister à placer l'image de la règle exactement à la distance dm de l'oeil. 1.2.3) Mode opératoire On utilise un banc d'optique portant le quadrillage objet, la loupe munie de la chambre claire, un oeilleton (destiné à maintenir l'oeil dans une position fixe). La règle est placée horizontalement sur un support, à hauteur de l'axe de la loupe, et parallèlement à cet axe. 1) Mesurer, par une méthode simple (autocollimation, par exemple) la distance focale f ' de la lentille mince servant de loupe. 2) Positionner la loupe sur le banc. Et placer la règle MN à 25 cm de l'oeil. Pour cela, on placera l'oeilleton à f '-15 mm derrière la loupe, et on admettra que le centre optique O de l'oeil se trouve à 15 mm derrière l'oeilleton. O et F' seront ainsi confondus. 4) Pour placer la règle MN à 25 cm de O : -mesurer O ( désigne le centre de la lame, placé sur l'axe principal optique) -placer la règle à 25 cm - O de l'axe, parallèlement à l'axe. 5) Rapprocher l'objet de la loupe (ce qui rapproche l'image) jusqu'à supprimer la parallaxe, c'est à dire jusqu'à ce que A'B' et M'N' (image de MN par la lame) soient confondues. 6) Mesurer alors , égal à G dans ces conditions. 1.2.4) Exploitation des résultats de mesure Montrer que G mesuré est égal à Gc. Estimer les incertitudes de mesure. Conclusions ? page 5 / 6 TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 2 Principe du microscope 2.1) Généralités Un microscope est un système optique constitué, dans l'essentiel, de deux parties (voir fig.5 ) : - l'objectif (très convergent), qui va donner d'un objet réel (placé très près du plan focal objet [F1]) une image réelle agrandie et renversée, placée en avant de [F2]. - un oculaire, qui va donner de cette image agrandie et renversée (donc servant d'objet réel, ou plus précisément d'image objective pour l'oculaire) une image virtuelle, observable par l'oeil. La plupart des instruments d'optique sont constitués de ces deux éléments fondamentaux. La puissance du microscope est P On démontre que : Pmic obj Poc Le grossissement est G AB . (avec obj A1 B1 . On a encore G P. d m m AB et et Poc G se forme à la distance dm de l'oeil O. De plus : Gmic obj Goc . A1 B1 A' B' AB ). quand l'image A'B' 2.2) Mesures 2.2.1) 1ère méthode Compléter le montage utilisé dans la première partie en plaçant à 40 cm environ, en avant de la loupe précédemment étudiée, un objectif (20 ou 25 ). Placer devant cet objectif le quadrillage objet bien éclairé (par transparence). Déplacer l'objet par rapport à l'objectif afin d'obtenir une image réelle agrandie A1 B1 aux environs du foyer objet F2 de l'oculaire (on vérifiera ce point en plaçant une feuille de papier servant d'écran en F2 ). page 6 / 6 TB3 / Travaux pratiques de physique / Bachard Eric / 08/95 La distance optique de l'oeil O à la règle MN étant réglée à 25 cm, déplacer AB légèrement pour supprimer la parallaxe entre l'image M'N' de la règle et l'image A'B' du quadrillage. Mesurer mic ou Gmic . 2.2.2) 2ème méthode A1 B1 , en recevant A1 B1 sur un écran. En déduire Gmic , le grossissement de AB l'oculaire étant celui de la loupe étudiée dans la partie 1 (l'oeil est resté en F'2). Mesurer obj Estimer la précision de la méthode employée. page 7 / 6
