TP3_La Lunette

2015
-
2016
UE 12
-
Optique Géométrique
Travaux Pratiques n°3

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TP P N N° °3 3 : : L LA A L LU UN NE ET TT TE E, ,
O
OU U C CO OM MM ME EN NT T V VO OI IR R G GR RO OS S E ET T L LO OI IN N
En 1609, Galilée reçoit de Hollande un long tube creux présentant à ses deux
extrémités un disque de verre poli – l'un aux faces bombées, l'autre aux faces creusées. A
l'époque de Galilée, on savait depuis longtemps que ces disques de verres, appelés lentilles
(et que vous avez étudié durant le TP 2), permettent de voir des images agrandies d'objets
proches. Cependant ce nouveau montage permet d'observer plus clairement des objets
situés à de grandes distances. Galilée pointe alors son instrument vers le ciel et y découvre
les satellites de Jupiter, les taches solaires, ... objets qu'il n'aurait pas pu voir à l'œil nu !
Afin de pouvoir faire des mesures quantitatives, il va devoir déterminer le pouvoir
grossissant de l'instrument qu'il a en main ! Ne disposant pas de la théorie des lentilles (pas
encore mise au point à l'époque) il mettra en place une expérience permettant de
déterminer ce pouvoir grossissant.
Dans ce TP nous vous proposons de fabriquer votre propre lunette, de chercher à
comprendre son fonctionnement et puis de la caractériser. Dans une première partie, vous
allez quantifier son pouvoir grossissant en utilisant une méthode proche de celle employée
par Galilée. Dans une deuxième partie, nous vous proposons de positionner votre lunette sur
un banc optique et affiner sa caractérisation en comparant vos observations à la théorie des
rayons lumineux que vous connaissez.
Plan de ce TP :
Pour voir des détails imperceptibles à l'œil nu d'un objet lointain on "sait" tous que l'on
peut utiliser une lunette et que celle-ci permet de voir plus gros. Qu'est ce que « voir plus gros »
signifie exactement ? Nous allons voir au fil des trois parties de TP que cela revient tout
simplement à augmenter l'angle sous lequel on voit cet objet.
- Dans la partie préliminaire, nous nous familiariserons avec l'utilisation d'une
"chambre noire". Il s'agit d'un instrument simple : une boîte fermée dans laquelle il
fait noir percée d'un trou (de taille variable) et dont la face opposée fera office
d'écran. En positionnant une lentille à proximité du trou d'entrée de cet instrument,
nous simulerons le fonctionnement d'un œil normal au repos. Nous allons nous en
servir à la fin du TP afin de déterminer de manière quantitative le pouvoir
grossissant de la lunette astronomique fabriquée sur banc optique.
- Dans la première partie du TP nous fabriquerons une lunette astronomique, à
l'aide de deux lentilles et d'un tube en carton et nous essaierons de comprendre son
fonctionnement, de manière qualitative, en regardant à travers celle-ci. Nous
caractériserons son pouvoir grossissant en utilisant le protocole expérimental
proposé par Galilée.
- Dans la deuxième partie, nous positionnerons cette lunette sur banc d'optique et
la caractériserons de manière plus quantitative. Pour réaliser ceci, nous aurons
besoin d'utiliser le système "chambre noire+lentille" simulant un œil au repos et que
nous avons étudié dans la partie préliminaire.

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PARTIE PRELIMINAIRE : La chambre noire
(Cette partie ne doit pas prendre plus d’1h)
I. Description
Étant donnée la simplicité de son montage (un trou dans la paroi d’une pièce sans
fenêtre), l’invention de la « camera obscura », ou chambre noire, ne peut pas être retracée
précisément. Cependant on notera son usage intensif par les savants du Moyen-Age arabe
dans leur étude expérimentale des propriétés de la lumière. Il est dit notamment qu’Ibn Al
Haytham (Alhazen) au 11ème siècle l’utilisa pour démontrer expérimentalement que la
lumière se déplaçait en ligne droite. Plus tard le montage sera utilisé par de nombreux
peintres italiens de la Renaissance pour la représentation de paysages, dont Leonard de
Vinci ou Daniele Barbaro. Du côté des sciences on remarquera qu’à la fois Kepler et
Descartes réutiliseront ce type de montage pour refaire les expériences d’Alhazen sur la
lumière. Et illustrer ensuite le fonctionnement des lentilles puis de l’œil en venant accoler un
bout de verre poli de surface sphérique sur le trou lumineux. Newton y accolera un prisme
de verre afin d’étudier la nature des couleurs. Enfin on notera que par la suite, avec
l’invention de la photographie, ce même montage sera miniaturisé et récupéré en déposant
simplement sur la zone éclairée par le trou un film photosensible. Ce montage sera rebaptisé
« sténopé ».
II. Chambre noire seule : principe
Familiarisez vous rapidement avec le dispositif (n’hésitez pas à demander de l’aide
aux enseignants si vous sentez que cette étape vous demande plus de 10 minutes). Le trou
d'entrée du sténopé est constitué d'un diaphragme, rendant le diamètre de ce dernier
variable. En pointant cet instrument sur un objet à l'extérieur, faites varier la taille de ce
trou.
Qu'observez vous ? Puis lorsque l'image vous semble nette faites varier la taille de
cette boîte. Qu'observez vous alors? Essayez d'expliquer l'ensemble de vos observations en
utilisant le modèle du rayon lumineux.
III. La chambre noire comme modèle de notre œil ?
Nous allons à présent positionner une lentille devant la chambre noire. Tentez à
présent de retrouver une image d'un objet situé à l'extérieur (donc lointain). Pensez à
adapter le diamètre du diaphragme en fonction de la luminosité de l’objet observé.
Décrivez cette image. Mesurez la longueur de la boîte permettant d’obtenir une image nette.
Vos observations correspondent-elles à vos attentes ? Appuyez vos explications par des
schémas.
Observez maintenant successivement deux objets plus proches (situés entre 50 cm et
2m) en utilisant la chambre noire équipée de la même lentille utilisée précédemment. Quelle
est la longueur de la boîte cette fois-ci ? Pouvez-vous là aussi tenter une explication avec un
schéma ? Nous utiliserons dans la suite du TP ce dispositif comme un modèle d'œil
regardant à l'infini, et l'appellerons "œil artificiel". Allons voir dans la partie suivante si ce
modèle est raisonnable.
Notez que l' œil humain est un dispositif complexe associant plusieurs milieux
transparents différents. Son fonctionnement sera étudié en détail à la fin du cours d'optique.
Néanmoins, nous pouvons décrire ici très brièvement, et sans aller dans les détails, son
fonctionnement optique et nous verrons en cours que cette représentation est assez
pertinente. De manière simplifiée, on peut donc considérer l' œil comme étant formé d'une

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lentille appelée cristallin. Son ouverture est limitée par l'iris, qui joue le rôle de diaphragme
réglable. L'image nette d'un objet se forme toujours sur la rétine (écran sensible situé au
fond de l'œil) sans que la distance entre le cristallin et la rétine soit modifiée. Afin de voir des
objets situés à des distances différentes c'est la cristallin qui s'adapte, en modifiant sa
distance focale afin d'obtenir une image nette de ces objets sur la rétine. Cette capacité de
l'œil de modifier sa distance focale est appelée accommodation.
Reprenez vos schémas de fonctionnement de la chambre noire avec sa lentille et
expliquez-nous en quoi ce système peut s’apparenter à un œil humain. Attribuez par
exemple à chaque élément du montage le nom de son équivalent dans l’anatomie de notre
œil. N’hésitez pas aussi à expliquer en quoi ce montage se différencie beaucoup de notre œil.
Dans la suite du TP on observera des objets situés à l'infini ou très loin. En vous
aidant des observations précédentes vous pouvez dès à présent fabriquer un œil ‘artificiel’
regardant à l’infini en utilisant la chambre noire et une lentille. Nous vous conseillons
d’utiliser une lentille notée avec 3 points blancs. Notez la longueur de la chambre noire
lorsque l'image est nette. Lorsque nous observerons un objet situé à l'infini avec cet œil
'artificiel', cette longueur sera conservée.
IV. Taille d'une image sur la rétine
On dispose à présent de deux objets représentant la même forme mais de tailles
différentes, un grand et un plus petit (il s'agit de 2 cadres noirs de tailles différentes; à
l'intérieur, une croix est matérialisée sur du papier calque diffusant la lumière). On se
propose par la suite d’observer ces deux objets à l’aide de l’œil ‘artificiel’ que vous venez de
fabriquer. Nous simulons donc une observation d'objets de taille différente à l'œil nu. Nous
souhaitons dans cette partie nous interroger sur la taille apparente des objets que nous
voyons et par la même occasion comprendre comment ‘voir plus gros’.
1) On place l’objet de taille plus grande (que vous pouvez mesurer) à une distance de 4
m devant la chambre noire faisant office d’œil artificiel. Mesurez la taille de l’image
observée sur la ‘rétine’ (écran) de votre œil artificiel. Sous quel angle rentrent dans la
chambre noire les rayons lumineux provenant des 2 extrémités de l’objet (haut et
bas) ? Faites un schéma du trajet des rayons. Quel est le lien entre cet angle et la taille
de l’image observée sur l’écran de la chambre noire ?
2) On place à présent l’objet de taille plus petite devant la chambre noire. La distance
objet - chambre noire est toujours 4 m. On mesure à nouveau la taille de l’image
observée sur la ‘rétine’ (écran) de votre œil ‘artificiel. Calculez à nouveau l’angle de
rentrée dans la chambre noire des rayons lumineux provenant des 2 extrémités de
l’objet (haut et bas). Sur le schéma de la question 1), placez à l’aide d’un stylo de
couleur différente le nouvel objet et tracez le trajet des rayons pour cette nouvelle
situation.
3) On rapproche à présent l’objet plus petit a une distance d'environ 3 m. Votre œil
'artificiel' va peut être devoir accommoder légèrement, l'objet n'étant plus à l'infini.
En réduisant la taille de l'iris (diaphragme) vous constaterez peut être que
l'accommodation ne sera pas nécessaire. Mesurez ensuite la taille de l’image observée
sur l’écran de la chambre noire. Que constatez vous ? Rapprochez encore le petit objet
afin d’obtenir sur l’écran une image de la même taille que celle observée pour le

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grand objet au point 1). A quelle distance se trouve à présent le petit objet? Ce
résultat était-il prévisible?
4) Peut-on savoir, en regardant uniquement à travers la chambre noire lequel des deux
objets est le plus grand (le plus grand étant situé toujours à 5 m devant la chambre
noire) ?
5) Pouvez vous maintenant conclure sur cette partie et nous donner votre avis sur
comment voir plus gros un objet en général.
6) Dans le cas ou l'on ne peut pas se rapprocher de cet objet (car situé à l'infini), et ou
l'on ne peut modifier sa taille, que faire ? Discutez en avec votre enseignant et validez
vos réponses.
PARTIE 1 : La lunette sur trépied (45 minutes)
Un des instruments d’optique permettant de ‘voir plus gros’ un objet situé loin, c’est
la lunette astronomique. Dans cette partie nous vous proposons de fabriquer votre propre
lunette astronomique, de comprendre son fonctionnement et puis de la caractériser de
manière qualitative en observant des objets situés loin. Nous vous proposons ensuite de
quantifier son pouvoir grossissant en utilisant le protocole expérimental proposé par Galilée.
I. Construction de la lunette
Vous disposez de plusieurs lentilles de focales différentes et d'un tube en carton de
longueur réglable permettant de disposer à ses extrémités deux lentilles. Effectuez des tests
en positionnant les différentes lentilles aux deux extrémités du tube. Pour chaque
configuration, observez un objet situé loin, notez la longueur de tube obtenue de sorte à
avoir une image nette.
ATTENTION : NE JAMAIS REGARDER LE SOLEIL DIRECTEMENT, NI AU TRAVERS DE
LENTILLES, NI MEME A L'OEIL NU.
Qu'observez vous qualitativement pour chacun des cas ? Image droite ? Renversée ?
Petite ? Grande ?
Changez vos lentilles plusieurs fois et essayez de trouver en quelques minutes et sans faire
de mesures une configuration qui vous semble intéressante, c’est-à-dire celle qui vous
donnera des images nettes et un grossissement conséquent. Il n’est pas nécessaire que vous
ayez créé la meilleure lunette du monde, mais seulement qu’elle vous satisfasse. C’est cette
lunette que vous allez étudier quantitativement à présent.
Notez bien la distance focale des lentilles que vous utilisez (vous savez maintenant évaluer
rapidement la focale d'une lentille) et dans quel sens vous regardez au travers de ces
lunettes. On appelle oculaire la lentille la plus proche de l'œil et objectif l'autre.
II. Caractérisation du pouvoir grossissant par la méthode de Galilée
Le protocole expérimental mis en place par Galilée repose sur la faculté que
possèdent certains organismes vivants appelée vision binoculaire (utilisation simultanée des