III - Application : modélisation d`un instrument optique

Nath résumé - Montage de physique n°3 :
Formation optique d'une image
Niveau concerné : Spé TS
Sources
 manuel Hachette Terminale S - Enseignement de spécialité (Mai 2002)
Introduction
Lorsque nous utilisons une loupe pour visualiser les détails d’un dessin, lorsque nous regardons un oiseau
avec de jumelles, nous visualisons une image de l’objet réel, à travers ce qu’on appelle un instrument
d’optique. Comment se forme cette image ? peut-on prévoir les caractéristiques et la position de cette
image ? C’est ce que nous allons traiter dans cet exposé. Les bases de l’optiques géométriques ont été
abordées dans les classes précédentes. En TS, enseignement de spécialité, l’objectif final est l’étude des
instruments d’optique suivants : le microscope, la lunette astronomique et le télescope, afin d’observer
l’infiniment petit et l’infiniment grand (mise en relation avec le thème de 2nde : échelles de distances et de
tailles dans l’univers observable). Pour cela, nous allons étudier + en détail les lentilles convergentes et
aborder un nouveau dispositif de base : le miroir sphérique concave. Dans un premier temps, nous allons
revenir sur l’étude des lentilles minces convergentes. Puis nous aborderons le miroir sphérique concave.
Nous terminerons par l’étude de la lunette astronomique.
I - Lentilles convergentes
A - Caractéristiques d’une lentille convergente
Avec le tableau magnétique. On redéfinit les foyers, le centre optique, l’axe optique, la distance focale et la
vergence.
Conclusion : existence de 3 rayons particuliers qui vont nous aider dans les constructions des trajets
optiques. → savoir construire les rayons.
B - Relation de conjugaison
Sous sa forme algébrique. Déterminée sur banc optique.
C - Formule du grandissement
Sous sa forme algébrique. Déterminée sur banc optique.
D – Mesure de la distance focale d’une lentille
Expérimentalement sur banc optique à partir de la formule de conjugaison
E – Conditions de Gauss
Avec le tableau magnétique (attention : les conditions de Gauss sont introduites expérimentalement. Elles ne
sont pas exigibles)
II - Miroirs sphériques convergents
A - Caractéristiques d’un miroir sphérique convergent
Avec le tableau magnétique ou sur banc optique. On définit le foyer, le centre, l’axe optique, le sommet, la
distance focale.
Conclusion : existence de 3 rayons particuliers qui vont nous aider dans les constructions des trajets
optiques. → savoir construire les rayons.
B – Mesure de la distance focale d’un miroir sphérique
Chercher la position de l’objet pour laquelle les rayons émergeants sont parallèles à l’axe optique.
III - Application : modélisation d'un instrument optique (le lunette astronomique)
Le ciel de nuit est parsemé d'objets très éloignés et peu lumineux. Pour mieux les observer, il faut en former
une image plus lumineuse et de diamètre apparent plus grand. Ceci implique que l'appareil utilisé doit

grossir l'image comme la Lune ou les planètes, mais aussi capter un maximum de lumière pour des objets
comme les étoiles invisibles à l'oeil nu.
Le principe simplifié de la lunette est donné de la manière suivante en 1ère S : « Une première lentille
convergente donne d'un objet lointain observé une image (petite et renversée) situé au voisinage du foyer.
Cette image est observée à travers une seconde lentille servant de loupe. L’image finale est donc agrandie. »
En TS, on peut détailler de la panière suivante : une lunette astronomique est formée de deux systèmes
convergents alignés sur le même axe optique :
 L'objectif, de grande distance focale, donne d'un objet très éloigné une image dans son plan focal
image
 L'oculaire, de courte distance focale, permet à l'œil d'observer cette image intermédiaire.
On utilisera le banc optique. L’objet observé est à l’infini. Pour avoir une observation sans fatigue, donc
sans accommoder, l’image sera elle aussi à l’infini : on construit un système afocal.
 on construit un objet à l’infini (mais pas d’œil fictif. On observe sur un écran très éloigné)
 construction de la lunette : 2 lentilles convergentes de distance focales +30,0 cm (objectif) et +10,0 cm
(oculaire)
 Mesurer la distance séparant les deux lentilles et comparer à f1'+f2'.
 Mettre en évidence l'image intermédiaire.
 mesure expérimentale du grossissement et comparaison avec la théorie :
1
2
f'
α'
G = α f '
 recherche du cercle oculaire (mettre diaphragme avant l’objectif)
La monture de l'objectif limite les faisceaux entrant dans la lunette.
Le cercle oculaire est l'image de la monture de l'objectif donnée par l'oculaire. L'œil doit être placée à son
niveau pour recevoir le maximum de lumière.
Conclusion
Par cette progression, les élèves sont capables de tracer les rayons lumineux qui traversent une lentille ou un
miroir sphérique. Il sont capables de prévoir la position d’une image donnée par un instrument d’optique
complexe. D’un point de vue expérimental, ils sont capables de réaliser et d’exploiter un montage
permettant d’illustrer et de modéliser le fonctionnement de 3 instruments d’optique. Ils savent choisir les
lentilles adaptées, régler le montage et effectuer les mesures des grandeurs qui permettent de valider le
modèle proposé.