EN PRATIQUE

Une séance de TP sur banc d'optique : réalisation d'un microscope réduit 

Le microscope
optique

Lycée


PRÉSENTATION

REPÈRES
Le microscope simplifié
L'ouverture numérique
L'objectif
L'éclairage

EN PRATIQUE
Présentation
TP sur banc d'optique
Cinq simulations actives
Deux simulations interactives

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À propos

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Voir aussi :
Vers l'infiniment petit

Microscopes électroniques, acoustiques et autres

 
Fiche professeur

Objectif
Comprendre et se familiariser avec le modèle du microscope : savoir utiliser ce modèle pour déterminer et utiliser les grandeurs caractéristiques de l’instrument.
Durée
2 heures
Niveau
Lycée, terminale S, spécialité en physique-chimie
Situation
Ce TP de physique est le troisième de l'année ; les élèves ont déjà effectué des expériences sur les images formées par une lentille mince et par un miroir. Ils connaissent les propriétés des lentilles minces convergentes et des miroirs ainsi que les formules de conjugaison.
Matériel
Au bureau :
- quelques loupes, de vergences diverses,
- un microscope,

Pour chaque groupe :
- un banc d’optique et ses accessoires : lanterne munie d’une lettre, trois supports, deux boîtes de lentilles et un écran (une lentille de 8 dioptries pour l’objectif, une de 5 dioptries pour l’oculaire et une de 8 dioptries pour l’œil réduit),
- du papier millimétré si l’écran n’est pas gradué.
Activités
Trois activités successives sont proposées :
- observation du microscope réel (fiche imprimable pour l'élève)
  identifier les différents éléments d’optique de l’instrument
- étude d’un microscope simplifié (fiche imprimable pour l'élève)
- réalisation sur le banc d’optique d’un modèle de microscope associé à un œil réduit (fiche imprimable pour l'élève)

Déroulement
Questionnement préliminaire
  • Qu’appelle-t-on diamètre apparent d’un objet ?
  • Quelle est la plus petite dimension observable à l’œil nu ? Si l’objet est à 30 cm de l’œil, sous quel angle (en radians) est-il vu ?
  • Quelle est approximativement la dimension minimale des objets qu’une loupe (lentille de courte distance focale) permet d’observer ?
  • Quels sont les inconvénients d’une loupe trop « grossissante » ?

Éléments de réponse
Pour observer de petits objets, la limite de résolution de l’œil (3.10–4rad) limite à 100 µm environ la taille la plus petite observable.
Pour observer des détails de taille inférieure à 100 µm, on doit augmenter leur diamètre apparent en les regardant à travers un instrument d’optique ; celui-ci est alors caractérisé par son grossissement standard G, quotient entre le diamètre apparent ' de l’objet vu à travers l’instrument et le diamètre apparent pp de l’objet vu à l’œil nu.

Une loupe permet d’atteindre 1 µm, mais on est limité par les aberrations géométriques et chromatiques.
Pour les objets inférieurs au micromètre, il faut donc un autre dispositif.
Le microscope optique permet d’atteindre environ 0,05 µm.
Première activité : observation du microscope réel
Travail à réaliser
Complétez les légendes du schéma ci-dessous.
Dans le cadre de droite, indiquez la fonction de chaque élément d’optique : miroir, condenseur, objectif et oculaire, œil.

Réponses
- Le miroir réfléchit la lumière de la lampe (non figurée) et l’envoie sur le condenseur.
- Le condenseur forme l’image de la lampe à peu près sur l’objet, pour l'éclairer.
- L’objectif est un système optique convergent de très faible distance focale. Il forme une image réelle située dans le corps cylindrique du microscope.
- L’oculaire est un système optique convergent de distance focale faible (quelques centimètres). Il joue le rôle d’une loupe qui grossit l’image intermédiaire précédente et forme une image finale virtuelle.
- L’œil reçoit finalement les rayons issus de cette image virtuelle sous un diamètre apparent suffisant pour la distinguer nettement.

Deuxième activité : étude d’un microscope simplifié
Modélisation

Un microscope simplifié est constitué d’un objectif L1 de très courte distance focale f'1 (environ 1 mm) placé près de l’objet AB observé, et d’un oculaire L2 de distance focale f'2 (1 à 2 cm) placé devant l’œil.
- L’objectif donne de l’objet AB une image réelle renversée et très agrandie A1B1.
- L’oculaire sert de loupe pour observer cette image.
L’image finale A'B' est virtuelle, très agrandie et renversée par rapport à AB.

Ces deux systèmes optiques convergents sont maintenus à une distance constante O1O2 l’un de l’autre.
Seule la distance AO1 est réglable grâce à une vis de mise au point rapide et à une vis micrométrique.
La distance = F'1.F2 entre le foyer image de L1 et le foyer objet de L2 est appelée intervalle optique. Sa valeur normalisée est de 16 cm dans les microscopes utilisés en biologie.

Construction des images successives : cas d’une vision à l’infini
(œil normal qui regarde sans accommoder)


AB, objet réel, donne par L1 l'image intermédiaire réelle A1B1. Celle-ci se comporte comme un objet réel pour L2 qui en donne une image virtuelle A'B'. Cette image virtuelle se comporte pour l'œil comme un objet réel.
L’œil doit pouvoir regarder l’image finale A'B' sans accommoder (vision moins fatigante pour l’œil).
Dans ce cas, A'B' se trouve à l’infini, c’est-à-dire « très loin » de l’œil, de sorte que les rayons provenant de B', par exemple, arrivent dans l’œil parallèles entre eux (A', non figuré, est à l’infini sur l’axe à gauche).

Questions possibles
  • En utilisant la formule de conjugaison pour l’oculaire, montrez que la situation précédente nécessite que A1 et F2 soient confondus.
  • Soit ' le diamètre apparent de l’image A'B' observée par l’œil à travers le microscope. Placez ' sur le schéma. Exprimez ' en fonction de A1B1 et de f'2.
  • Montrez que la valeur absolue du grandissement de l’objectif L1 est égale à.
  • Sous quel diamètre apparent l’objet AB, placé à la distance Dpp = 25 cm de l’œil, serait-il vu à l’œil nu ?
  • Rappelez la définition du grossissement G d’un instrument d’optique.
  • Établissez l’expression du grossissement G du microscope en fonction de, Dpp et f'2.
  • Montrez que le grossissement de l’oculaire est
  • Déduisez-en que le grossissement G du microscope peut s’écrire :

Remarque
La valeur de est gravée sur l’objectif, celle de G2 est gravée sur l’oculaire, d’où l’utilité de la relation précédente.
Latitude de mise au point
Si l’objet AB est légèrement rapproché de L1, l’image A'B' n’est plus à l’infini : l’œil peut la voir nette en accommodant, à condition que cette image soit à une distance de l’œil (en pratique de L2) supérieure à la distance minimale de vision distincte Dpp = 25 cm.

La latitude de mise au point est la longueur séparant les deux positions du point objet A dont les images dans le microscope se forment au punctum remotum (PR : point le plus éloigné que l’œil peut voir nettement sans accommoder) et au punctum proximum (PP : point le plus proche que l’œil peut voir nettement en accommodant) :
                         microscope
1re position de A A' au PR (soit à l’infini pour un œil normal)
                         microscope
2e position de A A' au PP (soit 25 cm pour un œil normal)


Pour un microscope réel, la latitude de mise au point est de 1 à 2 µm.

Questions
  • Complétez le schéma ci-dessous en traçant le trajet de deux rayons issus de B permettant de trouver A1B1 puis A'B' (la longueur du microscope étant inférieure à 25 cm, A'B' doit se situer « à gauche » de AB).
  • Comment l’image A1B1 s'est-elle déplacée ?




Troisième activité : réalisation sur banc d’optique d’un modèle de microscope associé à un oeil réduit
On parle de microscope réduit si objectif et oculaire sont remplacés par des lentilles minces.
De même, on parle d’œil réduit si l’œil est représenté par une lentille mince.
Préparation du dispositif
Travail à faire
Sur le banc d’optique, placez la lampe à 20 cm environ de la lettre lumineuse, placez une lentille de 8 dioptries représentant l’objectif ; à 62,5 cm de l’objectif, placez une lentille de 5 dioptries représentant l’oculaire.
Ne modifiez plus par la suite cette distance objectif-oculaire (O1O2 = 62,5 cm) qui doit rester fixe comme dans un microscope réel.
Après l’oculaire, réalisez un œil réduit en associant une lentille de 8 dioptries et un écran. On peut aussi placer un diaphragme contre la lentille de l’œil.

Questions
  • Calculez les distances focales des lentilles utilisées.
  • Faites un schéma soigné à l’échelle 1/10 représentant la disposition de tous ces éléments et la position des foyers des lentilles.
  • Quel est l’intervalle optique de votre microscope ?
  • Quelle doit être la distance entre les deux éléments de l’œil réduit pour que cet œil voie sans accommoder ?
Observation des images
Travail à faire
Choisissez la dimension (largeur, hauteur, demi-hauteur...) de la lettre lumineuse AB dont vous allez mesurer la taille.
Effectuez la « mise au point » : avancez la lampe vers le microscope jusqu’à observer sur l’écran de l’œil une image nette A''B''.

Questions
  • L’image qui se forme sur l’écran de l’œil est-elle de même sens que l’objet lumineux ?
  • Sachant que la lentille de l’œil renverse les images, l’image A'B' observée par l’œil à travers le microscope est-elle droite ou renversée par rapport à l’objet AB ?
  • La position exacte de l’œil réduit sur le banc d’optique a-t-elle de l’importance dans le réglage que vous venez d’effectuer ?
  • L’espace entre l’objectif et l’oculaire est accessible. Où peut-on placer une feuille de papier blanc pour observer l’image intermédiaire A1B1 ? Quelles sont les caractéristiques de cette image (sens, taille, réelle ou virtuelle) ?
  • Placez cette image sur le schéma précédent.
  • Complétez votre schéma en construisant les trajets de deux rayons issus de B et ressortant de l’oculaire.
  • Pouvez-vous observer l’image A'B' fournie par le microscope ? Essayez !
  • Que pouvez-vous faire dans ce cas pour donner une estimation de la latitude de mise au point de ce dispositif ?
Grossissement du microscope
Questions
- Calculez le diamètre apparent de la lettre lumineuse regardée à 25 cm à l’œil
nu.
- Calculez l’angle ' sous lequel l’œil réduit voit l’image A'B' de la lettre.
Conseil : la lentille de l’œil reçoit les rayons provenant de B et sortant de l’oculaire parallèles entre eux sous l’angle '. Ces rayons convergent sur l’écran de l’œil au point B’’. On peut utiliser la construction de celui de ces rayons qui entre par le centre O dans l’œil réduit, donc qui n’est pas dévié dans l’œil.
- Déduisez des valeurs de ' et le grossissement G de votre microscope réduit.
- Calculez par ailleurs le grossissement théorique de ce microscope réduit, en utilisant les relations établies dans la deuxième activité.
Conseil : on remarquera que les données permettent de calculer le grandissement de l’objectif et le grossissement de l’oculaire. On peut aussi calculer le grandissement de l’objectif si on a mesuré l’image intermédiaire A1B1.
- Les deux valeurs trouvées sont-elles en accord ?
- Ce microscope a-t-il un fort grossissement ? Comparez-le aux grossissements disponibles du microscope considéré dans la première activité.
Cercle oculaire

Définition : le cercle oculaire est l’image de la monture de l’objectif à travers l’oculaire.


Travail à faire
  • Sur le schéma ci-dessous, tracez les trajets de rayons issus des bords M et N de la monture de l’objectif et passant par le point F2, puis les rayons issus de M et N et arrivant sur les bords I et J de l’oculaire.
  • Montrez que les rayons ainsi tracés émergent de l’oculaire en passant tous par une même zone centrée sur l’axe optique.
  • Où devra être placée la pupille de l’œil pour recevoir le maximum de lumière sortant du microscope ?
  • À l’aide d’une feuille blanche utilisée comme un écran mobile, recherchez la position du cercle oculaire de votre microscope. Votre œil réduit était-il correctement positionné ?



 
© SCÉRÉN - CNDP
Créé en avril 2003 - Actualisé en novembre 2006 - Tous droits réservés. Limitation à l'usage non commercial, privé ou scolaire.