2. De la loupe à l`oculaire

Terminale S spécialité
TP de physique
2. De la loupe à l'oculaire
Objectifs.







Savoir définir et calculer le diamètre apparent.
Savoir que la loupe grossit car elle augmente le diamètre apparent.
Savoir utiliser et exploiter la notion de grossissement
Lorsque l’image se forme à l’infini, cela correspond à une observation sans fatigue pour l’œil.
Savoir qu’un oculaire utilisé sans fatigue pour l’œil est une loupe où l’objet est placé sur F.
Construire l’image d’un objet plan perpendiculaire à l’axe optique situé à distance finie.
Déterminer la distance focale d’une lentille convergente.
I. Une figurine plus grande, paraît-elle nécessairement plus grosse ?
Vous disposez de deux figurines de tailles différentes.
Pouvez vous les observer de sorte que la plus petite paraisse la plus grosse ?
II. « Grossir » avec une lentille convergente : la loupe.
Pour distinguer les détails d’un objet la première chose à faire consiste à approcher l’objet de l’œil. On augmente ainsi le diamètre
apparent de l’objet.
Quand l’objet est à environ 25 cm (distance minimale de vision distincte) pour augmenter encore le diamètre apparent on utilise
une loupe. (comparer les schémas n°2 et n°3).
Pourquoi la loupe grossit-elle ?
En utilisant les schémas 2 et 3, exprimer le grossissement de la loupe pour un œil normal, placé au foyer F’, sachant que :
le grossissement de la loupe est défini par :
G'

’ : angle sous lequel on voit l’image de l’objet donnée par la loupe.
 : angle sous lequel on voit l’objet sans instrument et placé à 25 cm de l’œil.
III. L’oculaire des instruments d’optique.
1. Observer sans fatigue pour l’œil …
Fermer les yeux.
Ouvrir les yeux et fixer un objet au loin.
Même expérience en fixant un objet proche.
Conclure.
2. De la loupe à l’oculaire :
Déterminer expérimentalement la distance focale des deux lentilles à votre disposition.
Les utiliser en loupe, pour une observation sans fatigue pour l’œil. Quelle est la meilleure loupe ?
Schématiser les deux expériences sur un schéma à l’échelle.
Exprimer puis calculer le grossissement dans chacun des deux cas. Conclure.
IV. « Grossir » avec deux lentilles convergentes : introduction au microscope.
Pour observer les détails d’un petit objet, on vient de l’observer à la loupe.
Comment augmenter encore son diamètre apparent en utilisant une deuxième lentille
convergente ?
Annexe.
Schéma1:
B
A
B
Schéma 2:
A
dm
Schéma 3:
B'
B
A'
F
A
F'
Schéma 4:
B' à l'infini
B
A' à l'infini
A=F
F'
2. De la loupe à l’oculaire Fiche professeur.
Une des difficultés dans l’étude des instruments d’optique est le rôle de l’oculaire (élément commun à tous les instruments
d’optique étudiés par la suite).
Il faudra d’abord faire admettre aux élèves que pour une observation sans fatigue pour l’œil, il faut regarder à l’infini (aucune étude
de l’œil n’est prévue, ni en 1°S, ni en Terminale S).
On peut alors introduire qu’un oculaire est une lentille convergente utilisée en loupe, dans le cas particulier où l’image est à
l’infini.
Se pose alors le problème suivant :
A ce stade de son apprentissage (on vient d’étudier le grandissement) l’élève peut admettre que dans le cas de la loupe :
L’image est plus grande que l’objet (c’est visible sur le schéma).
Par contre dans le cas de l’oculaire :
Les élèves ne peuvent comparer les dimensions respectives de l’objet et de l’image (celle ci étant à l’infini). Comment admettre
que l’image paraît plus « grosse » pour l’observateur ?!
C’est pour cette raison que nous introduisons, ici, un travail sur le diamètre apparent (connaissance exigible d’ailleurs !!!) qui nous
amènera naturellement à la notion de grossissement.
I. Une figurine plus grande, paraît-elle nécessairement plus grosse ?
Ce paragraphe a pour but d’introduire la notion de diamètre apparent (qui a déjà été vue au début du programme de seconde).
Il s’agit donc de rappeler aux élèves que ce que l’on perçoit d’un objet dépend, bien sûr, de sa taille, mais aussi de la distance à
laquelle il se trouve de l’observateur.
Pour répondre à la question, les élèves devraient proposer par exemple d’aligner les deux objets de sorte que le plus petit (plus près
de l’observateur) masque le plus grand : preuve qu’il paraît plus gros.
A ce stade on peut introduire des compléments de cours en faisant travailler les élèves sur les schémas n°1 et 2 du document fourni
en annexe.
Pour distinguer les détails d’un objet, la première chose à faire consiste à approcher l’objet de l’œil. On augmente ainsi le diamètre
apparent de l’objet, c’est à dire, l’angle (exprimé en rad) sous lequel est vu l’objet. (comparer les schémas n°1 et n°2).
II. « Grossir » avec une lentille convergente : la loupe.
Ce paragraphe a pour but d’introduire la notion de grossissement.
La loupe grossit car elle permet d’augmenter l’angle sous lequel est vu l’objet.
Grossir : c’est augmenter le diamètre apparent.
Quand l’objet est à environ 25 cm (distance minimale de vision distincte, notée dm, pour un œil normal, sans loucher !), pour
augmenter encore le diamètre apparent on utilise une loupe. (comparer les schémas n°2 et n°3).
Le grossissement de la loupe est défini par :
G'

’ : angle sous lequel on voit l’image.
 : angle sous lequel on voit l’objet.
Pour simplifier, plaçons l’œil de l’observateur sur le foyer F’ de la lentille.
tan  =
AB
.
dm
tan’  ’ =
G' =
AB .
OF '

dm
. Avec dm = 0,25 m pour un œil normal.
OF '
Le grossissement de la loupe pour un œil normal placé au foyer F’ vaut alors :
G
1 = 1 C
4OF' 4
On peut faire constater aux élèves que grossir 10 fois, par exemple, c’est augmenter 10 fois le diamètre apparent, soit
diviser par 10 la distance d’observation.
Pour voir les détails d’un petit objet on peut l’approcher à 25 cm de l’œil.
Quand on observe l’image de cet objet à travers une loupe qui grossit 10 fois, on voit ce que l’on verrait de l’objet si notre
oeil nous permettait de le voir nettement à une distance de 2,5 cm.
Commentaire pour l’enseignant : ne pas confondre grandissement et grossissement !!!
 La question qui se pose est : « quand on forme , avec une lentille convergente, une image virtuelle de plus en plus
grande, est-elle de plus en plus grosse ? ».
Tout dépend de la position de l’œil :
Si l’œil est placé en G (schéma ci-dessous), quand l’image grandit, l’angle sous lequel elle est vue diminue .  augmente alors que
G diminue.
Si l’œil est placé en H (schéma ci-dessous), quand l’image grandit, l’angle sous lequel elle est vue aussi.
Si l’œil est placé sur F’ (schéma ci-dessous), QUELLE QUE SOIT LA POSITION DE L’OBJET l’angle sous lequel est vu l’image
vaut |’| =
AB . C’est donc ce cas qui est proposé aux élèves.
OF '

Dans le cas ou l’image se trouve à l’infini (cas de l’oculaire), le problème ne se pose plus puisque QUELLE QUE
SOIT LA POSITION DE L’ŒIL, l’angle sous lequel est vu l’image vaut |’| =
AB .
OF '
III. L’oculaire des instruments d’optique.
1. Observer sans fatigue pour l’œil …
Pour voir nettement un objet proche, l’œil doit faire « une mise au point » : on dit qu’il doit accommoder. Ceci nécessite l’action de
muscles de l’œil. Cette accommodation n’intervient pas dans le cas d’une observation « au loin ».
On pourrait dire : un œil normal, au repos, est conçu pour voir nettement les objets au loin.
L’image formée par un instrument optique devra se trouver à l’infini car cela correspond à une observation sans fatigue pour l’œil.
2. De la loupe à l’oculaire :
Les élèves disposent de deux lentilles convergentes : V1 = 20  et V2 = 5 .
Ils déterminent expérimentalement leur distance focale (cf TP 01).
Ils constatent que la loupe de 20  grossit plus.
Schématiser les deux expériences sur un schéma à l’échelle.
L’image étant à l’infini, quelle que soit la position de l’œil on a G = V/4.
G1 = V1/4 = 5.
G2 = V2/4 = 1,25.
Un oculaire grossit d’autant plus que sa vergence est grande (distance focale petite).
Pour avoir un grossissement supérieur à 1, il faut que l’oculaire ait une vergence V > 4 soit une focale OF’ < 25 cm.
Rque : dans la modélisation des instruments optique, il nous semble préférable de modéliser les oculaires par des lentilles de
focales inférieures à 25 cm plutôt que des lentilles de 30 cm comme dans beaucoup de livres.
L’oculaire (lentille placée du coté de l’œil) des instruments d’optique que nous étudieron, est une lentille convergente « utilisée en
loupe » dans le cas où l’objet est placé sur F car, dans ce cas, l’image est à l’infini, ce qui permet une observation sans fatigue pour
l’œil.
IV. « Grossir » avec deux lentilles convergentes : introduction au microscope.
On peut rappeler que l’oculaire est la lentille située du coté de l’œil.
Comment utiliser une deuxième lentille, placée entre l’objet et l’oculaire, pour augmenter encore le diamètre apparent.
A ce stade de leur apprentissage, les élèves ont tous les éléments pour comprendre le principe de fonctionnement du microscope.
Le but de ce paragraphe est d’introduire, par une discussion avec la classe, le TP04.
Après ce TP, on peut s’attendre à ce qu’ils proposent d’observer l’objet à la loupe. Puis d’observer l’image obtenue à la loupe
(l’oculaire).
La première lentille grossit une première fois. On obtient une image plus grande que l’objet. L’oculaire, lui, grossit cette image.
En utilisant le simulateur, pour expliquer le rôle de l’objectif, l’enseignant rappelle que pour que l’image intermédiaire soit la plus
grande possible l’objet doit se trouver au voisinage de F (foyer de l’objectif).
Deux cas possibles :

Celui proposé (sans doute) par les élèves : observation de AB à la loupe, présente l’inconvénient de renvoyer
l’image intermédiaire A’B’ (virtuelle), « à gauche » de la lentille, et ce d’autant plus loin qu’elle est grande. Cela posera donc un
problème pour placer cette image intermédiaire au foyer de l’oculaire qui est, on l’a vu, une lentille de petite distance focale.

L’autre possibilité est d’utiliser la première lentille pour obtenir une image intermédiaire agrandie et « à droite »
de la lentille. Cette image est ensuite observée à la loupe.
Les élèves réalisent l’expérience.
Ils récupèrent l’image agrandie de l’objet sur un écran, puis observent cette image à la loupe.
L’étude détaillée du microscope est traitée au TP04.
Pour la séance suivante (TP03), revoir les notions vues en 1°S sur les miroirs plans.
2. De la loupe à l’oculaire …
Liste du matériel.

2 figurines de tailles différentes.
Pour le III.
 L1 : V1 = 20 
 L2 : V2 = 5 
 Un banc optique et ses accessoires.
 Un objet de petite taille : remplacer le F traditionnel par celui ci-joint (distance interligne 1 mm ; épaisseur du trait  0,1 mm)).
L’imprimer sur un transparent spécial imprimante.
Superposer le transparent à du papier calque pour une meilleure diffusion.
Pour le IV.
 Le logiciel de figures d’optique animées.
 L1 : V1 = 20  servira d’objectif.
 L3 : V3 = 10  servira d’oculaire.