TP7 - Le site de physique de la PCSI

LYCÉE JEAN BART
PHYSIQUE - PCSI
TP 7 : Instruments d'optique et focométrie
But du TP : Se familiariser avec quelques instruments d'optique permettant de réaliser des pointés et des
mesures.
I. Les instruments simples : COLLIMATEURS et OCULAIRES
1) Les Collimateurs
✔ Comment pourrait-on modéliser un objet à l'infini ?
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Méthode d'auto-collimation
Définition :
L'auto-collimation est une méthode expérimentale permettant de situer de façon sûre un objet dans le
plan focal objet d’une lentille convergente, en employant un miroir plan que l’on juxtapose à la lentille.
Applications :
✔ Estimation rapide d’une distance focale (méthode approximative)
✔ Former un objet à l’infini ou un faisceau parallèle (on parle alors de collimateur)
Méthode :
✔ Placer le miroir derrière la lentille (presque parallèle)
✔ On modifie la distance objet-lentille jusqu’à obtenir une image nette à côté de l’objet : elle doit être de
même taille et renversée (γ = -1)
✔ La distance entre l'objet et la lentille est alors égale à la distance focale f ' =AO
Remarques :
✔ Pour visualiser l’image et l’objet, il est nécessaire d’incliner légèrement le miroir
✔ Cette méthode est indépendante de la distance lentille-miroir
Manipulation :
✔ Estimer la focale de la lentille utilisée et comparer à la valeur indiquée
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Utilisation d'un collimateur
Définition :
« Collimation : on produit un faisceau de rayons parallèles. »
Un collimateur est un instrument destiné à réaliser, de façon précise, un objet à l’infini.
Constitution :
Il est constitué d’un réticule (croix ou mire) sur verre et d’une lentille convergente montés ensemble.
Le réticule est éclairé par une source, interne ou externe au collimateur.
Lorsque le réticule est dans le plan focal objet de cette lentille, il est réglé sur l’infini.
Réglage du collimateur :
✔ S’il ne comporte pas de source intégrée, éclairer le collimateur par une source pas trop puissante (néon,
lampe quartz-iode munie d’un diffuseur)
✔ Régler le tirage du collimateur de manière à voir nettement le réticule graduée du collimateur à l’infini
(à l'œil sans accommoder)
Remarques :
✔ Souvent, le constructeur fait en sorte qu’en poussant à fond le tube porte-objet dans le tube portelentille, on obtienne la position de réglage à l’infini
✔ Le réglage précis s’effectue en observant l’objet à travers une lunette préalablement réglée sur l’infini
2) Loupe et Oculaires
Principe d'une loupe :
Pour voir les détails d’un objet à l’œil nu, il faut le placer au Punctum Proximum, ce qui induit de la
fatigue visuelle.
Par contre, si l’objet est entre le foyer principal objet et le centre optique d’une lentille convergente,
l’image (virtuelle) de cet objet par la lentille est droite, agrandie et observée avec une accommodation
moindre.
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Intérêt de placer l’œil dans le plan focal image de la
Si l’objet est placé dans le plan focal objet de la
loupe : en F', le diamètre angulaire α' de l’image est
lentille convergente, l’image virtuelle est droite et
indépendant de la position de l’objet entre F et O.
se forme à l’infini : l’œil emmétrope n’accommode
pas et peut observer tous les détails sans fatigue.
Définition d'un oculaire :
Un oculaire est une loupe « améliorée » : à la place d’une seule lentille, on utilise un ensemble de lentilles
convergentes et divergentes équivalentes à une seule lentille convergente.
La lentille d’entrée (côté objet observée) est appelée « lentille de champ » et la dernière (côté œil) est
appelée « lentille d’œil ».
Avantages par rapport à la loupe :
✔ distorsion plus faible de l’image
✔ atténuation des défauts d’achromatisme
✔ champ d’observation plus important
Réglage de l'oculaire :
✔ Il s’agit simplement de régler la distance image
intermédiaire - oculaire pour que l’image
finale soit rejetée à l’infini pour un œil
emmétrope (qui n’accommode pas)
✔ Ce réglage dépend donc de l’observateur
Manipulation :
✔ En regardant l’énoncé à travers l’oculaire, vérifier que celui-ci joue le rôle d’une loupe
Remarques :
✔ Certains oculaires, dit micrométriques, possèdent des graduations dont la fonction est de mesurer la
taille de l’image intermédiaire, une échelle de mesure est donc placée à l’intérieur de l’oculaire
✔ Le réglage de l’oculaire se fait alors par tirage, de manière à ce que l’échelle graduée soit nette
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II. Les instruments composés : LUNETTES DE VISÉE et LUNETTES AFOCALES
1) Éléments de base d'une lunette
Les lunettes sont en général constituées des éléments suivants :
✔ Un objectif (L1) : c’est une lentille convergente qui donne de l’objet AB observé une image
intermédiaire A1B1
✔ Un oculaire (L2) : c’est une lentille très convergente pour observer « à la loupe » l’image
intermédiaire. Pour ce faire, il faut que A1B1 soit placée dans le plan focal objet de l’oculaire (pour
qu’un œil emmétrope n’accommode pas)
✔ Un réticule : une mire (deux fils croisés à angle droit) qui est placée dans le plan de l’image
intermédiaire (i.e. dans le plan focal objet de l’oculaire pour un œil normal)
Remarque :
✔ Les lunettes dites « autocollimatrices » possèdent en plus un système d’éclairage du réticule.
Réglage d'une lunette :
✔ Une lunette est correctement réglée si l’image intermédiaire de l’objet et le réticule (ou l’échelle
graduée) sont vus simultanément et nettement par l'œil sans fatigue.
✔ Pour cela, on règle d’abord l’oculaire (lentille côté observateur), puis l’objectif (lentille côté objet).
Première étape : réglage de l’oculaire
Cette mise au point dépend de l’observateur et de la famille d’oculaire dont on dispose.
Les oculaires des petites lunettes présentent un réticule ou une échelle micrométrique entre les deux lentilles qui
forment l’oculaire.
Tourner la lunette vers un fond lumineux , tirer ou dévisser l’extrémité de l’oculaire jusqu’à voir nettement et
sans fatigue le réticule ou l’échelle graduée.
Seconde étape : réglage de l’objectif
Il faut voir nets simultanément l’image intermédiaire et le réticule.
L’accommodation de l'œil peut fausser la condition de netteté à cause de l’erreur de parallaxe. Si le réglage est
correct, l’image intermédiaire et le réticule ne se déplacent pas l’un par rapport à l’autre lorsqu’on déplace
latéralement l'œil devant l’oculaire.
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2) Lunette de visée à distance finie ou viseur à frontale fixe (VFF)
Définition :
Un viseur est une lunette donnant une image nette d’un objet à distance finie.
Il est aussi appelé lunette à frontale fixe, car la distance frontale D, entre la lunette et l’objet vu net à
travers l’oculaire, est constante.
Constitution : un objectif (du côté de l’objet), un réticule (objet réel en forme de croix) et un oculaire (côté de
l’œil, effet loupe)
Principe :
✔ Observer un objet à travers le viseur, son image sera vue nette, superposée au réticule, lorsque l’objet
sera à une distance D précise, appelée frontale (dépendant de la focale de l’objectif)
✔ En pratique, il n’est pas nécessaire de connaître précisément la distance D
Intérêts :
✔ Permet de déterminer précisément la position d’une image/objet (pointé longitudinal), aussi bien
pour une image réelle que pour une image virtuelle.
✔ L’image étant agrandie, on peut aussi mesurer précisément des grandissements grâce à la
graduation du réticule (oculaire micrométrique)
Mesure de distances longitudinales :
✔ Ajuster la distance {oculaire-réticule} pour voir le réticule net, sans accommodation (réglage à modifier
pour chaque utilisateur).
✔ La mesure d’une distance à l’aide d’un viseur nécessite 2 pointés. Exemple pour l’étude d’une lentille :
i) Avant de placer la lentille, observer l’objet net au viseur : relever la position x1 du viseur sur le
banc d’optique
ii) Installer la lentille, et déplacer le viseur pour voir la lentille « nette » (traces de doigts!!) :
relever la position x2 du viseur sur le banc d’optique
iii) Déplacer le viseur pour observer l’image formée par la lentille : relever la position x3 du viseur
sur le banc d’optique
✔ En déduire les distances utiles :
OA=d lentille−objet = x1−x 2
OA '=d image−lentille= x 3−x 2
✔ On constate que la distance D n'intervient pas.
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Réglage du viseur :
✔ Disposer la lunette sur le banc et viser l’écran placé à 50 cm devant la lunette
✔ Modifier le réglage de l’oculaire de manière à voir nettement l’écran sans accommoder
✔ Tous les objets situés à la distance D = 50 cm de la lunette seront vu nettement
Utilisations du viseur :
✔ La source lumineuse est la lampe quartz-iode munie d’un diffuseur
✔ Disposer sur le banc un objet A près de la source et la lentille convergente de focale f ′ = 125 mm
Visée d’une image réelle et estimation de la distance focale d’une lentille convergente
Pour cela imposer OA≈−2 f ' pour obtenir une image réelle.
Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de déterminer la distance
focale d'une lentille mince convergente
Visée d’une image virtuelle
Recommencer la manipulation précédente, mais avec la lentille convergente de focale f ′ ≈ 125 mm placée à
8-9 cm de l’objet.
Estimation de la distance focale d’une lentille divergente
En utilisant le collimateur correctement réglé et le viseur :
Déterminer et mettre en œuvre un protocole expérimental permettant de déterminer la distance
focale d'une lentille mince divergente