TP 2 : Quelques instruments d`optique

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TP 2 : Quelques instruments d’optique
1. L’appareil photographique:
L’appareil photographique est constitué par :
une lentille convergente appelée objectif de vergence C = 20,0 δ
δδ
δ qui permet
de former une image réelle de l’objet que l’on souhaite photographier sur un
capteur numérique.
un capteur numérique constitué de pixels sensibles à la lumière qui délivrent
un signal électrique proportionnel à la quantité de lumière emmagasinée pendant
toute la durée où ils sont exposés à la lumière.
Les informations correspondantes peuvent être stockées dans une carte mémoire et
envoyées vers un écran à cristaux liquides pour visualiser l'image correspondante.
un diaphragme constitué par un écran noir opaque percé d'un trou de diamètre ajustable de façon à réguler
la quantité de lumière en provenance de l'objet qui pénètre dans l'appareil.
un boitier par rapport auquel le bloc objectif peut se déplacer, de façon à pouvoir faire varier la distance D
entre la lentille convergente et le capteur numérique.
un obturateur situé entre l'objectif et le capteur numérique qui ne laisse passer la lumière que pendant une
durée très brève, de l'ordre de 10ms. Sur le schéma ci-dessus, il est en position "ouvert" (non représenté).
• Calcule la distance focale f ' de l'objectif.
• Déduis-en la valeur qu'il faut donner à D lorsqu'on veut photographier un objet situé à l'infini.
• En utilisant la relation de conjugaison, calcule la valeur qu'il faut donner à D si l'objet est situé à 10,0m
devant l'appareil photographique... Conclue.
• Même question si l'objet est placé à 40,0cm devant l'objectif. Fais un schéma à l'échelle ½ pour illustrer tes
calculs.
• Explique alors pourquoi il est nécessaire de pouvoir déplacer l'objectif par rapport au boitier de l'appareil.
• Quel est le rôle joué par le diaphragme ? Pourquoi est-il nécessaire?
• Un autre constituant de l'appareil photo, cité dans le descriptif ci-dessus, peut jouer un rôle similaire à celui
du diaphragme. Lequel ? justifie ta réponse.
capteur
numérique
diaphragme
objectif
boitier
D

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• On se place dans une situation où on obtient une image nette d'un objet sur le capteur numérique.
Puis on ferme le diaphragme de façon à obstruer la moitié de la surface de l'objectif.
Parmi les affirmations suivantes, barre celles qui te paraissent fausses:
l'image obtenue conserve la même taille mais est moins lumineuse que l'image initiale
on n'observe plus que la moitié de l'image initiale
on observe une image semblable à l'image initiale mais deux fois plus petite
l'image devient floue
Justifie en faisant deux schémas correspondant aux deux situations envisagées.
2. Vérification expérimentale:
Matériel disponible: un objet F constitué par un filament de lampe incandescent
un écran, un porte-lentille, 3 lentilles de distances focales: 5,0cm 10,0cm 20,0cm
Positionne l'objet F à une extrémité du banc d'optique.
Fixe à 30,0cm de cet objet un porte-lentille muni d'une lentille convergente L
1
de distance focale f '
1
= 20,0cm
Place un écran constitué par un carton blanc à 20,0cm derrière la lentille.
• Oriente ce dispositif vers la fenêtre. Qu'observe-t-on sur l'écran?
• Observe-t-on une image de l'objet F sur l'écran? pourquoi?
• Que faut-il faire pour observer l'image de l'objet F sur l'écran?
Quelle est alors la distance lentille-écran?
Le paysage extérieur est-il toujours visible? pourquoi?
• Obstrue la moitié environ de la surface de la lentille par une feuille de carton opaque.
Comment se modifie l'image observée sur l'écran? Ceci est-il en accord avec tes prévisions faites ci-dessus?
• Positionne à nouveau l'écran à 20,0cm derrière la lentille de façon à observer le paysage extérieur sur l'écran,
puis rapproche l'objet F à 20,0cm de la lentille.
A l'aide du matériel disponible sur ta paillasse, propose un protocole pour observer l'image de l'objet F sur
objectif
vu de face
diaphragme
Banc d'optique
Ecran
Lentille
convergente
Objet F Fenêtre
30,0cm 20,0cm
l'écran sans modifier la position de l'écran ni celle du porte-lentille par rapport à l'objet.

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3. L'oeil:
L’oeil est constitué par :
une lentille convergente appelée cristallin qui permet de former une
image réelle de l’objet que l’on souhaite observer sur la rétine.
la rétine constituée de cellules photosensibles qui délivrent un signal
électrique proportionnel à la quantité de lumière reçue. Les informations
correspondantes sont transmises au cerveau par le nerf optique.
l'iris qui délimite un trou circulaire de diamètre ajustable appelé pupille
de façon à réguler la quantité de lumière en provenance de l'objet qui pénètre dans l'œil.
• L'œil peut être modélisé par une lentille convergente qui forme l'image de l'objet
observé sur un écran, et dont l'ouverture est délimitée par un diaphragme.
Complète la légende du schéma ci-contre en utilisant le vocabulaire
associé à l'œil.
• La vergence du cristallin est variable, grâce à l’action de muscles ciliaires qui sont au repos lorsque l’œil
observe un objet AB situé à l’infini (A est sur l'axe optique).
Complète le schéma ci-dessous correspondant à cette situation pour trouver l'image A'B' de AB sur la rétine,
puis trace la marche d'un faisceau incident provenant de B, et d'un faisceau incident provenant de A.
Quelle est alors la distance focale du cristallin ?
• La distance minimale de vision distincte pour un œil normal est de 25cm. Complète le schéma ci-dessous
(qui n'est pas à l'échelle) pour trouver l'image A'B' de AB sur la rétine, puis calcule grâce à la relation de
conjugaison la distance focale du cristallin dans ces conditions. Conclue.
Remarque:
La rétine est constituée par deux types de cellules:
les cônes qui sont sensibles à la couleur mais nécessitent un éclairage suffisant pour fonctionner.
les bâtonnets qui ne sont pas sensibles à la couleur mais seulement à l'intensité lumineuse perçue, et qui
donnent une vision en "niveaux de gris".
Ils sont plus sensibles que les cônes, et sont seuls à fonctionner dans la pénombre.
Ces cellules mémorisent une information lumineuse pendant une durée de 50ms environ (davantage en cas
d'éblouissement) mais ne sont pas capables d'emmagasiner l'énergie lumineuse reçue sur des durées plus longues
4. Conclusion:
Quels sont les points communs et les différences entre l'œil et l'appareil photo?
Pourquoi les photos prises avec un télescope sont-elles très différentes (à préciser) de ce que l'œil peut observer
à travers le même télescope?
nerf optique
muscles ciliaires
1,7cm
B
A
O
25cm 1,7cm
1,7cm
B
o o