Sciences Physiques/TP/Ph TP6 Oeil, microscope

Lycée G. Monod, MPSI, Physique-Chimie 22 novembre 2016
TP φ6 : Œil, loupe et microscope : modélisation et caractéristiques
Le but de de TP est de réaliser et de présenter, de façon progressive et
raisonnée :
•un modèle de l’œil emmétrope puis de l’oeil myope et d’y associer
un dispositif correcteur (correspondant à une paire de lunettes pour
myope) ;
•un modèle de loupe (qui est aussi un modèle d’oculaire), afin de présen-
ter sa principale caractéristique, le grossissement ;
•un modèle de microscope suivi d’un oeil, permettant à son tour de pré-
senter les principales caractéristiques optiques de cet instrument.
Pour une bonne visibilité des expériences sans encombrement excessif,
toutes les distances sont multipliées par un facteur d’environ 5.
Matériel
Sur banc optique de préférence :
•une lampe et son condenseur
•un diaphragme et des diapositives avec des images : une de taille de
l’ordre de 2 cm et une autre de taille caractéristique 10 fois plus petite,
ainsi qu’un calque millimétré pour faire des mesures sur écran ;
•4 lentilles convergentes L1,L2,L3,L4. Les focales suivantes sont données
à titre indicatives, elles peuvent varier : f0
1'10 cm, f0
2'1 m, f0 3'20
cm, f0
4'10 cm ;
•1 lentille divergente L5de focale f0
5' −20 cm ;
•un écran, un miroir plan.
1 L’œil
L’oeil peut être considéré en première approche comme constitué d’une
lentille (le cristallin) et d’un écran (la rétine) séparés d’une distance fixe
(environ 17 mm).
FIGURE 1 – Schéma anatomique et montages modèles de l’œil.
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Questions guides Qu’est-ce qui caractérise l’oeil emmétrope (normal) ?
L’oeil myope ? Qu’est-ce que le punctum proximum δ? Que signifie accomo-
der ? Comment un oeil accomode-t-il ?
Indications pour le montage (on pourra s’inspirer de la figure 1) :
(i) Le cristallin sera modélisé par la lentille L1.
(ii) Réaliser un montage modèle d’un oeil emmétrope au repos, à l’aide de
L3(en plus de L1et de l’écran) ; obtenir l’image du « gros » objet.
(iii) Réaliser un montage modèle d’un oeil emmétrope accomodant au maxi-
mum en adjoignant L2àL1; que vaut le punctum proximum noté δ?
(iv) Réaliser un montage modèle d’un oeil myope au repos (à l’aide de L1
et de l’écran) ; que devient l’image du « gros » objet ? Proposer un mon-
tage utilisant L5pour le corriger. Quelle est la mesure de la myopie ici,
exprimée en dioptries ?
2 La loupe / l’oculaire
On modélisera l’oculaire du microscope par une loupe. Celle-ci est une
lentille convergente de distance focale inférieure à δ. Son principe est qu’elle
permet de voir net des objets plus proches que le punctum proximum, sans
accomodation. On appelle grossissement, noté G, le rapport β/αentre l’angle
αsous lequel l’oeil voit un objet au punctum proximum et l’angle βsous lequel
il voit l’objet à l’aide de la loupe.
Questions guides Pourquoi le fait de voir en-deça du punctum proximum
implique un grossissement supérieur à 1 ? Qu’est-ce que le « grossissement
commercial » d’une loupe ?
Indications pour le montage (on pourra s’inspirer de la figure 2) :
(i) On prendra la lentille L3pour modéliser la loupe.
(ii) Placer un objet au punctum proximum de l’œil emmétrope modèle. Mesu-
rer l’angle αsous lequel on voit l’objet sur la rétine modèle.
(iii) Placer l’objet en-deça du punctum proximum de l’œil, puis placer la loupe
de façon à ce qu’il ne soit pas nécessaire d’accomoder. Mesurer l’angle β
sous lequel on voit l’objet.
(iv) Exprimer G=β/αen fonction de δet f0
3. Vérifier expérimentalement
cette formule. Commenter la formule du grossissement commercial.
FIGURE 2 – montages modèles de la loupe.
3 Le microscope
Le microscope est composé d’un objectif et d’un oculaire. L’objectif est
schématiquement une lentille de très courte focale qui forme un image
réelle et agrandie de l’objet. Cette image est observée de près avec l’oculaire.
L’intervalle optique ∆d’un microscope est défini comme la distance entre le
foyer image de l’objectif et l’image intermédiaire. Le grossissement Gmdu
microscope est défini comme le rapport e/αentre l’angle esous lequel l’œil
qui regarde dans l’oculaire voit l’image intermédiaire et l’angle αsous lequel
il voit un objet au punctum proximum.
Questions guides Quel est le rôle de l’objectif ? Expliquer qualitativement
pourquoi le microscope permet de grossir plus que la loupe. Qu’est-ce que
le grandissement γde l’objectif ? De quand date le microscope ? Quelles
découvertes a-t-il permis à Robert Hooke en 1665 ?
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FIGURE 3 – Microscope et illustration de Robert Hooke datant de 1665 ;
schéma d’un microscope optique.
Indications pour le montage (on pourra s’inspirer de la figure 4) :
(i) On prendra la lentille L4comme modèle de l’oculaire, et on choisira un
intervalle optique ∆de 80 cm.
(ii) Projeter l’image par l’objectif du petit objet sur l’écran (image intermé-
diaire) de façon à l’agrandir.
(iii) Retirer l’objet, placer l’oculaire en respectant l’intervalle optique, puis
l’oeil modèle. Remettre l’objet à la distance permettant d’observer son
image sur l’écran.
(iv) Mesurer le grossissement du microscope Gm.
(v) Mesurer le grandissement de l’objectif γen plaçant un écran dans le plan
de l’image intermédiaire. Vérifier qu’il vaut ∆/f0
4. Démontrer cette for-
mule.
(vi) Vérifier expérimentalement puis montrer théoriquement que Gm=
γGoc où Goc désigne le grossissement de l’oculaire.
FIGURE 4 – montage modèle du microscope.
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