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 présenter sa principale caractéristique, le grossissement ;
• un modèle de microscope suivi d’un oeil, permettant à son tour de présenter 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 : f 10 ' 10 cm, f 20 ' 1 m, f 30 ' 20
cm, f 40 ' 10 cm ;
• 1 lentille divergente L5 de focale f 50 ' −20 cm ;
• un écran, un miroir plan.
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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).
F IGURE 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 accomoder ? 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 L1 et de l’écran) ; obtenir l’image du « gros » objet.
(iii) Réaliser un montage modèle d’un oeil emmétrope accomodant au maximum en adjoignant L2 à L1 ; 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 montage utilisant L5 pour le corriger. Quelle est la mesure de la myopie ici,
exprimée en dioptries ?
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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/α entre l’angle
α sous lequel l’oeil voit un objet au punctum proximum et l’angle β sous lequel
il voit l’objet à l’aide de la loupe.
F IGURE 2 – montages modèles de la loupe.
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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 ?
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 Gm du
microscope est défini comme le rapport e/α entre l’angle e sous lequel l’œil
qui regarde dans l’oculaire voit l’image intermédiaire et l’angle α sous lequel
il voit un objet au punctum proximum.
Indications pour le montage (on pourra s’inspirer de la figure 2) :
(i) On prendra la lentille L3 pour modéliser la loupe.
(ii) Placer un objet au punctum proximum de l’œil emmétrope modèle. Mesurer l’angle α sous 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.
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 γ de l’objectif ? De quand date le microscope ? Quelles
découvertes a-t-il permis à Robert Hooke en 1665 ?
(iv) Exprimer G = β/α en fonction de δ et f 30 . Vérifier expérimentalement
cette formule. Commenter la formule du grossissement commercial.
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F IGURE 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 L4 comme 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 intermédiaire) de façon à l’agrandir.
F IGURE 4 – montage modèle du microscope.
(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 γ en plaçant un écran dans le plan
de l’image intermédiaire. Vérifier qu’il vaut ∆/ f 40 . Démontrer cette formule.
(vi) Vérifier expérimentalement puis montrer théoriquement que Gm =
γ Goc où Goc désigne le grossissement de l’oculaire.
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