PC - TP Instruments d`optique

PC - TP Instruments d’optique
Objectifs expérimentaux
— Déterminer le grossissement d’une lunette
— Modéliser un microscope et le caractériser
Capacités travaillées :
— Éclairer un objet de manière adaptée (PCSI)
— Choisir une ou plusieurs lentilles en fonction des contraintes expérimentales, et choisir leur focale de façon
raisonnée. (PCSI)
— Optimiser la qualité d’une image (alignement, limitation des aberrations...) (PCSI)
— Estimer l’ordre de grandeur d’une distance focale. (PCSI)
1
Lunette astronomique
1.1
Présentation
Figure 1 – Une lunette astronomique pour astronome amateur
Une lunette astronomique est un instrument d’optique très utilisé chez les astronomes amateurs pour observer le
ciel étoilé. Elle permet d’observer des objets lointains qui ne sont pas ou peu visibles à l’oeil nu.
Dans cette étude on s’intéresse à une modélisation expérimentale de la lunette astronomique constituée uniquement
de 2 lentilles :
— Une lentille de longue focale (f1′ = 30 cm) pour réaliser l’objectif,
— Une lentille de courte focale (f2′ = 10 cm) pour réaliser l’oculaire.
1. Rappeler la disposition des deux lentilles. Pourquoi dit-on que le système est ”afocal” ?
2. Pour étudier la formation de l’image on doit commencer par se doter d’un objet situé à l’infini. Comment peut-on
procéder ?
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3. On doit ensuite s’assurer que l’image est, elle aussi, à l’infini. Quel dispositif peut être construit pour observer
l’image ? Quel système ce dispositif modélise-t-il ?
4.
Réaliser la lunette astronomique, puis représenter l’ensemble du dispositif et tracer la marche d’un rayon
quelconque.
5. Rappeler la définition du grossissement angulaire G. Mesurer le grossissement obtenu avec la lunette ainsi
modélisée.
6. Comment peut-on prévoir la valeur du grossissement à l’aide des caractéristiques de la lunette ?
7. On appelle ”cercle oculaire” l’image de l’objectif par l’oculaire.
(a) Montrer que, si f1′ ≫ f2′ , le cercle oculaire se trouve situé juste derrière le plan focal image de l’oculaire.
(b) Exprimer |G| en fonction du diamètre D1 de l’objectif et du diamètre dCO du cercle oculaire. Application
numérique.
(c) Citer deux avantages expérimentaux d’identifier la position du cercle oculaire.
1.2
Etude d’une lunette réelle
On dispose d’une lunette dont on on souhaite déterminer le grossissement.
8.
Pointer un objet lointain afin de régler la lunette de manière afocale.
9.
2
Elaborer et mettre en oeuvre un protocole permettant de déterminer le grossissement de la lunette.
Microscope
2.1
Modélisation
On modélise le microscope en utilisant :
— Un objet lumineux AB attaché à la lampe
— Une lentille L1 de distance focale +10 cm pour réaliser l’objectif du microscope
— Une lentille L2 de distance focale +30 cm pour réaliser l’oculaire du microscope
— Une lentille de distance focale +20 cm associée à un écran modélisera l’oeil de l’observateur.
La distance entre les lentilles objectif et oculaire est constante dans un microscope. On prendra ici O1 O2 = 90 cm.
10.
Après avoir déterminé expérimentalement avec précision les distances focales des lentilles utilisées, positionner les différentes lentilles.
11. Où doit se situer l’image définitive A′ B ′ pour que l’oeil ne fatigue pas ? En déduire la position de l’image
intermédiaireA1B1
12.
Déplacer l’objet AB pour que cette condition soit réalisée.
α′
Le grossissement angulaire G est défini par G =
avec α′ l’angle sous lequel on voit l’image définitive et α l’angle
α
sous lequel on voit, à l’oeil nu, l’objet situé à d = 25 cm.
13.
2.2
Déterminer expérimentalement la valeur du grossissement angulaire pour le microscope modélisé.
Etude des caractéristiques d’un microscope réel
A préparer