Rubrique concernée : instruments d'optique (Consultation du programme officiel)

Titre de l'activité : microscope

A l'écran, le plan du document vous guidera pour vos prises de notes.
Ce document contient aussi la liste des taches à réaliser (expérience, simulation ou exercice).
Des feuilles réponses à compléter sont disponibles (il faut les imprimer) et elles doivent être intégrées à votre cours.

Microscope

Pour observer de petits objets, la limite de résolution de l'œil ( 3.10^-4 rad ) limite la taille la plus petite observable à environ 100 µm ( 20 µm pour un œil myope ) . Pour augmenter cette valeur, on utilise une loupe qui permet d'atteindre 1 ou 2 µm ( mais on est limité par les aberrations ) ou un microscope optique qui permet d'atteindre 0.05 µm.

1-Description

Vous pouvez obtenir une fiche à imprimer et à compléter que vous intégrerez dans votre cours.

Le miroir :
Le miroir, en général sphérique, permet de concentrer la lumière d'une source sur la préparation posée sur la platine : cette préparation joue ensuite le rôle d'une source pour l'objectif.

L'objectif  :
L'objectif est un ensemble convergent équivalent à une lentille convergente de faible distance focale ( de l'ordre de grandeur de quelques millimètres )

L'oculaire :
L'oculaire est un ensemble convergent équivalent à une lentille convergente ( en général un doublet de deux lentilles non accolées ) de distance focale de quelques cm pour grossir l'image intermédiaire réelle formée par l'objectif en formant une image finale virtuelle.

Remarque pratique :
Il faut repérer le sens de rotation du bouton de la crémaillère pour remonter le tube et se rappeler que lors d'une observation, il ne faut pas descendre le tube pour éviter de briser la préparation.

1.2-Construction des rayons lumineux

Expérience :
Placer sur le banc d'optique un objectif ( ce sera une lentille de vergence +20 dioptries ) et un oculaire ( ce sera une lentille de vergence +5 dioptries ) situés à 50 cm l'un de l'autre.
Disposer un petit objet 6 cm en avant de l'objectif ( voir le matériel fourni ).
Pour observer l'image, placer l'œil à l'extrémité du banc. (s'il le faut, placer un diaphragme devant l'objectif pour diminuer l'intensité lumineuse).

Questions :
1-Trouver par le calcul la position de l'image intermédiaire puis de l'image finale et décrire une observation dans l'expérience qui confirme ce résultat.
2-Dessiner à l'échelle 1/4 le trajet des rayons lumineux issus de l'objet. (on rappelle que l'échelle verticale peut être beaucoup plus grande que l'échelle horizontale pour la clarté de la construction).

Simulation :
Étudier la simulation décrite dans le fichier .

Conclusion :
L'objet AB, situé très près du foyer objet de l'objectif ( mais pas entre F₁ et O₁) donne une image intermédiaire située sur le foyer objet de l'oculaire pour une observation par l'oeil à l'infini. L'image d'un objet donnée par la première lentille joue le rôle d'un objet pour la deuxième lentille.

2-Cercle oculaire

2.2-Intérêt
Tous les rayons traversant l'objectif et qui émergent de l'oculaire passent à l'intérieur du cercle oculaire : il faudra placer la pupille de l'œil à cet endroit.

2.3-Taille et Position
Expérience :
Placer sur le banc d'optique un objectif ( ce sera une lentille de vergence +20 dioptries ) et un oculaire ( ce sera une lentille de vergence +5 dioptries ) situés à 50 cm l'un de l'autre.
Placer un petit objet 6 cm en avant de l'objectif ( voir le matériel fourni ).
Tracer un trait au marqueur sur la lentille-objectif pour observer le plan de son image donnée par l'oculaire : ce plan contient le cercle oculaire.

Construction :
Tracer deux rayons particuliers issus d'un point de la monture limitant l'objectif.
Tracer le cercle oculaire (en utilisant la symétrie du dispositif).
Ajouter le faisceau s'appuyant sur la monture de l'objectif et passant par le foyer objet de l'oculaire : quelle est la propriété du faisceau émergent ? Comment utiliser cette propriété pour calculer le diamètre du cercle oculaire ?

Conclusion
L'oeil doit être situé sur le cercle oculaire, cercle situé au voisinage du foyer image de l'oculaire.

Connaissances de référence disponibles
Cercle oculaire

3-Grossissement

3.1-Diamètre apparent

Connaissances de référence disponibles :
Diamètre apparent

3.2-Définition du grossissement

Le grossissement est le rapport de l'angle sous lequel on voit l'image à travers le microscope et de l'angle sous lequel on voit l'objet à l'œil nu placé à la distance minimale de vision nette.

4-Mesures au microscope

La mesure de la taille d'un objet de petite dimension comme un cheveu nécessite un étalonnage du microscope.
Pour cette mesure, la limite du pouvoir de résolution tient au grossissement (la diffraction n'intervient pas dans ce cas).

Simulation :
Étudier la simulation décrite dans le fichier

Expérience :

Étalonnage
Remplacer l'oculaire par l'oculaire micrométrique ( cet oculaire contient la règle de 100 graduations que l'on voit nette en même temps que l'image de l'objet AB )
Placer la lame munie d'une graduation appelée micromètre objet ( 100 graduations de longueur totale égale à 1 mm ) sur le porte-objectif pour étalonner la graduation de l'oculaire
Régler la mise au point avec l'objectif de faible grossissement puis avec l'objectif de fort grossissement ( On veillera à déplacer le tube objectif vers le haut seulement pendant une visée en tournant le bouton dans le sens trigonométrique ! )
Compter la longueur en 1/100 mm ( donc sur l'image du micromètre objet ) des 100 graduations de l'oculaire .

Mesure
Remplacer le micromètre objet par le cheveu.
Quel est le diamètre du cheveu ?