le microscope - Site d`Aline CHAILLOU

TP 3
LE MICROSCOPE
Compétences exigibles mises en jeu lors de ce TP et des deux suivants :
Savoir que dans un microscope ou une lunette astronomique, l’image intermédiaire donnée par l’objectif constitue un
objet pour l’oculaire.
Savoir que dans un télescope, l’image intermédiaire donnée par le miroir sphérique constitue un objet pour le système
miroir plan-oculaire.
Construire, pour les trois instruments étudiés, l’image intermédiaire et l’image définitive d’un objet plan
perpendiculaire à l’axe optique.
Déterminer à partir d’une construction à l’échelle, les caractéristiques de l’image définitive donnée par un instrument
d’optique.
Construire la marche d’un faisceau lumineux à travers un instrument d’optique.
Pour les lentilles intervenant dans les instruments d’optique étudiés, utiliser et exploiter les relations de conjugaison.
Savoir définir et calculer le diamètre apparent.
La définition du grossissement étant donnée, savoir l’utiliser et exploiter son expression.
Connaître la définition du cercle oculaire, son intérêt pratique et savoir le construire.
Savoir-faire expérimentaux
Réaliser et exploiter un montage permettant d’illustrer le fonctionnement des trois instruments d’optique :
- choisir les lentilles adaptées,
- régler le montage,
- effectuer les mesures des grandeurs permettant de valider le modèle proposé.
I)
DESCRIPTION ET UTILISATION
Un microscope comprend trois systèmes optiques (voir doc.1):
- Le condenseur et le miroir concave qui permettent d'éclairer l'objet observé.
- L'objectif, placé devant l'objet, est constitué de plusieurs lentilles assimilables
à une lentille convergente de très courte distance focale (de l'ordre du millimètre).
Le grandissement 1 est gravé sur l'objectif (par exemple 4, *10, *40).
- L'oculaire, placé devant l'oeil de l'observateur, de distance focale (de l'ordre du cm.)
L'oculaire est assimilable à une lentille convergente et joue le rôle d'une loupe. Le
grossissement G2 est gravé sur l'oculaire (par exemple *10)
La distance entre le foyer image F’1 de l’objectif et le foyer objet F2 de l’oculaire,
appelée intervalle optique ∆, est invariable
∆ = F’1 F2 (∆ ≈ 16 à 18 cm )
Le bloc objectif-oculaire se déplace à l’aide du bouton de crémaillère et de la vis
micrométrique et permet d’effectuer la mise au point pour avoir une image nette.
L’éclairage de l’objet est assuré par un dispositif comprenant un miroir et un
condenseur.
II)
FORMATION DES IMAGES
1) Principe
Il est constitué de deux lentilles convergentes:
- l’objectif: distance focale de quelques mm près duquel est placé l'objet.
Il donne de l’objet AB une image A1B1 intermédiaire
………………………………………………...
l’oculaire: distance focale de l’ordre du cm , à travers lequel l’observateur regarde l’image A 1B1 comme à travers
une loupe.
Quelles sont les caractéristiques de l’image A'B' donnée par l’oculaire?
……………………………………………………………………………………………………………………………
Où doit donc se trouver A1B1 par rapport à l’oculaire?
……………………………………………………………………………………………………………………………
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TS Spécialité Physique
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A. Chaillou
Afin d’éviter que l’œil de l’observateur ne se fatigue (il regarde à l'infini) ,quelle devra être la place exacte de A 1B1?
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Schéma d’un microscope :
2) Etude expérimentale
Activité 1 : Modéliser un microscope par un système de deux lentilles minces



1.
2.
3.
4.
5.
A l’aide d’un banc optique et de deux lentilles minces convergentes de distances focales 5 cm et 10 cm,
réaliser le modèle d’un microscope
On choisira pour objectif L1 (f’1 = 5cm) et pour oculaire L2 (f’2 = 10 cm)
L’objet lumineux (source lumineuse, verre dépoli et lettres) est placé à 10 cm de l’objectif perpendiculairement
à l’axe.
La distance entre les deux lentilles est de 18 cm
Observer l’image définitive en plaçant l’œil sur l’axe après l’oculaire.
Donner les caractéristiques de l’image définitive observée
Chercher à l’aide d’un écran l’image intermédiaire A1B1. Donner ses caractéristiques et sa position O1A1, par
rapport à L1. Noter sa position O2A1 par rapport à L2
Rappeler la définition de l’intervalle optique Δ et calculer sa valeur.
Sur un schéma à l’échelle ½ selon l’axe optique, représenter les lentilles, l’objet (taille de construction 1cm).
Construire l’image intermédiaire A1B1 et l’image définitive A’B’.
En appliquant les formules de conjugaison des lentilles, déterminer les valeurs des positions O 1A1 de l’image
intermédiaire et O2A’ de l’image définitive. Les comparer à celles relevées expérimentalement et par
construction.
Conseil : Faire le schéma dans le sens de la longueur de la feuille en plaçant L 2 à 7 cm du bord droit
III)
QUELQUES CARACTERISTIQUES DU MICROSCOPE
1) Le cercle oculaire
Activité 2 : Observer le cercle oculaire
Reprendre le montage précédent
 Le microscope est modélisé sur un banc optique en utilisant deux lentilles minces convergentes de distances
focales 5 cm pour l’objectif et 10 cm pour l’oculaire, distantes de 18 cm.
 Eclairer l’objectif avec une source lumineuse (avec verre dépoli) et placer un diaphragme contre l’objectif. A
l’aide d’un écran, déterminer la position D’oc du disque de diamètre minimum pour le faisceau émergeant de la
lentille L2 .
Quelle est la position de D’oc ? Quelle est sa taille ?
En collant une gommette sur l’objectif, vérifier que D’oc est bien l’image de l’objectif L1 donnée par la lentille
L2
3. Sur un schéma à l’échelle ½ selon l’axe optique, représenter les lentilles. Choisir pour la construction le
diamètre du diaphragme égal à 1 cm.
Construire le faisceau traversant le diaphragme et émergeant de la lentille L 2.
4. Par application de la formule de conjugaison des lentilles, déterminer la position de D’ oc. Cette valeur est-elle
en accord avec l’expérience ?
D’oc est appelé le cercle oculaire. Donner
1.
2.
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A. Chaillou
Conseil : Faire le schéma dans le sens de la longueur de la feuille en plaçant L 1 à 3 cm du bord gauche
Définition : Le cercle oculaire est l’image de l’objectif donnée par l’oculaire
Il correspond à la section la plus étroite du faisceau émergeant. L’œil doit être placé au cercle oculaire pour
recevoir le maximum de lumière.
2) Grossissement standard de l’oculaire
Le grossissement standard de l’oculaire est défini par
G2 = θ’/ θ1
θ’ = diamètre apparent (angle) sous lequel on voit A’B’
θ1 = diamètre apparent sous lequel on voit A1B1 à l’œil nu à la distance minimale de vision distincte d m
G2 est gravé sur l’oculaire
Pour des petits angles tanθ ≈ θ
Exprimer θ1
B1
θ
θ1
A1
oeil
dm
A l’aide des constructions précédentes exprimer θ’
En déduire l’expression de G2 en fonction de dm et f ’2 . Remplacer dm par sa valeur 25 cm = 0,25 m et donner
l’expression de G2 en fonction de f ’2 .
3) Le grandissement de l’objectif γ1
γ1 est gravé sur l’objectif
A l’aide de la construction ci-dessous, exprimer γ1 en fonction de Δ et f’1
Oculaire
J
B
O1
F’1
A
F2
A1
B1
4) Grossissement G du microscope
Le grossissement du microscope est défini par
G = θ’/ θ
θ’ = diamètre apparent (angle) sous lequel on voit A’B’
θ = diamètre apparent sous lequel on voit AB à l’œil nu à la distance minimale de vision distincte dm
A partir des résultats précédents exprimer G en fonction de γ1 et G2 . Puis en fonction de Δ, f’1 et f’2
Applications : Annales de Bac
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A. Chaillou
MODELISATION D’UN MICROSCOPE
Un microscope est modélisé par un ensemble de deux lentilles minces convergentes L1 et L2 , de même axe optique
principal et distantes de 10 cm. La lentille L1 a pour distance focale f’1 = 2,0 cm et la lentille L2 a pour vergence C2 = 25
. L’objet AB que l’on souhaite observer a une taille de 1,0 mm et il est placé à 3,0 cm en avant de la lentille L1
I.
Image intermédiaire et image finale
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Calculer la position et la taille de l’image intermédiaire A1B1 de l’objet AB donnée par la lentille L1
Construire cette image sur un schéma noté 1. On prendra pour échelles :
1 cm pour 1 cm suivant l’axe optique principal ;
1 cm pour 1 mm perpendiculairement à l’axe optique.
Calculer la distance focale f’2 de la lentille L2
L’image intermédiaire A1B1 occupe par rapport à cette lentille une position particulière. Laquelle ?
Où se trouve par conséquent l’image finale A’B’ ? Quel est l’intérêt pour l’observateur ?
Compléter la construction de A’B’
II. Grossissement du système optique
1.
2.
A l’aide de la construction réalisée, exprimer le diamètre apparent ’ ( supposé petit ) sous lequel est vue l’image
finale A’B’ en fonction de A1B1 et de f’2 . Procéder à l’application numérique.
Le grossissement G du système optique est le rapport du diamètre apparent ’ de l’image A’B’ sur le diamètre
apparent  de l’objet AB, observé à l’œil nu à la distance minimale de vision distincte dm = 25 cm. Calculer G.
III. Cercle oculaire
Faire un schéma permettant de le représenter….
Mots clés, ou ce que je dois retenir de ce TP :
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A. Chaillou
Au bureau
-
microscope
grande règle graduée
Binôme élèves
-
banc optique + accessoires + gommettes
alimentation
2 longs fils
papier mm
TS Spécialité Physique
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A. Chaillou