INSTRUMENTS D’OPTIQUE
Mesurer les distances focales de lentilles.
Étudier des appareils d’optique tels la loupe, l’appareil photographique, le microscope et la lunette.
Banc d’optique
Lentilles
Diaphragme
Verre dépoli (écran)
Source lumineuse
MANIPULATIONS:
A) Mesures des distances focales
a) En vous servant d’un objet éloigné (scène extérieure) , déterminez les distances focales des lentilles convergentes identifiées par les lettres A, B, C et D en formant une image sur le verre dépoli. Notez vos résultats dans le tableau.
b) Utilisant maintenant la source lumineuse sur le banc d’optique et mesurant les distances objet et image, déterminez de nouveau les distances focales des lentilles A,B, C et D. Inscrivez vos mesures et vos résultats dans le tableau. Notez également la dimension de l’objet et des images et calculez le grandissement.
B) Appareil photographique
La lentille B agira comme l’objectif de l’appareil et le verre dépoli remplacera la plaque photographique. Le diaphragme sera placé à proximité de l’objectif du côté de l’objet. Obtenez à l’aide de ce montage l’image de la source lumineuse.
1- Si vous diminuez l’ouverture de la lentille à l’aide du diaphragme, comment l’image est-elle modifiée? (luminosité, précision, ... )
2- Le champ est la région de l’espace englobant l’ensemble des points que la plaque photographique peut enregistrer avec une précision satisfaisante; ce champ possède une largeur et une profondeur. Déterminez si la largeur de champ dépend de l’ouverture du diaphragme; variant cette ouverture, une partie de l’image disparaît-elle?
3- En vous choisissant un critère concernant la qualité de l’image, déterminez la profondeur de champ de la lentille B pour deux ouvertures de diaphragme différentes. La profondeur de champ est l’écart entre la position de l’objet le plus rapproché et la position de l’objet le plus éloigné donnant une image acceptable. Notez vos mesures dans le tableau ci-après commençant dans chaque cas par la position de l’objet donnant la meilleure image sans diaphragme. Utilisez alors une distance objet d’environ 25 cm.
Placez le diaphragme et déplacez ensuite l’objet sans bouger la lentille ni l’écran et calculez la profondeur de champ. Que concluez-vous concernant l’effet de l’ouverture du diaphragme sur la profondeur de champ?
4- Replacez la source pour avoir l’image la plus nette sans diaphragme. Remplacez la lentille B par la lentille A. Retrouvez votre meilleure image en déplaçant l’écran (i.e. en gardant la même distance objet) puis fixez de nouveau l’écran. L’image sera maintenant plus petite qu’avec la lentille B. Avec les deux mêmes ouvertures de diaphragme que précédemment, trouvez les profondeurs de champ en complétant le tableau suivant. Que concluez-vous sur l’effet de la distance focale sur la profondeur de champ?
C) Loupe
Regardez la règle ci-contre (ou toute autre règle millimétrique) au travers des lentilles A et B, une à la fois. Obtenez de l’objet une image droite la plus grosse possible sans être trop déformée. Mesurez alors la distance objet et estimez le grossissement obtenu à l’aide d’une autre règle identique posée sur la lentille. Inscrivez vos mesures et résultats dans le tableau. Le grossissement théorique s’évaluant en divisant 25 par la distance focale en cm, calculez ce grossissement pour chacune de vos lentilles (A et B) et inscrivez les résultats dans le tableau.
D) Microscope
Le microscope est un instrument d’optique qui sert habituellement à observer des objets très petits. Il est, pour l’essentiel, composé de deux groupes de lentilles appelés objectif et oculaire.
Utilisez comme objectif une lentille de très courte distance focale (lentille A) et obtenez sur votre écran une image agrandie de votre source lumineuse. Prenant comme oculaire une lentille de plus grande distance focale (lentille B), placez-la derrière l’écran à une distance correspondant approximativement à sa distance focale.
Retirez l’écran et placez votre oeil près de l’oculaire et examinez attentivement l’image en complétant au besoin l’ajustement des distances entre les lentilles. L’image finale est-elle réelle? Est-elle droite?
E) Lentille divergente
Une lentille divergente (telle la lentille E ou F) utilisée seule ne peut former une image sur un écran. Essayez-le. Toutefois, on voit très bien un objet en l’examinant avec une telle lentille; quelle sorte d’image obtenez-vous?
Afin de déterminer la distance focale d’une lentille divergente, on doit l’utiliser en association avec une lentille convergente dont la distance focale est connue.
Voici deux façons de procéder:
1- Accolez la lentille A à votre lentille divergente et obtenez de votre source lumineuse, une image sur l’écran. Déterminez la distance focale de votre ensemble à l’aide des distances objet et image.
À l’aide de la relation liant les distances focales de lentilles accolées, déduisez-en la distance focale de votre lentille divergente. Répétez la mesure pour la seconde lentille divergente et consignez vos résultats dans le tableau.
Distance focale équivalente f pour lentilles accolées dont les distances focales sont f
1 et f2:
2- Vous servant des lentilles E et B, réalisez le montage optique suivant afin d’obtenir une image nette sur l’écran.
Assurez-vous que l’image observée sur l’écran est bien le résultat de l’association des deux lentilles. Afin de vérifier ce fait, retirez temporairement la lentille E du montage, l’image sur l’écran devrait disparaître en tout ou à tout le moins devenir très floue. Si c’est le cas, replacez la lentille E et notez toutes les distances sur la figure ci-haut. Vous servant des mesures précédentes et de la distance focale connue de la lentille convergente, calculez la distance focale de la lentille divergente.
F) Lunettes
La lunette est un instrument d’optique destiné à l’observation des objets éloignés et dont l’objectif est constitué d’une lentille convergente de grande distance focale.
La lunette astronomique est particulièrement destinée à l’observation des astres. Pour en constituer une, utilisez comme objectif une lentille de grande distance focale (lentille D) et formez sur votre écran, une image nette d’un objet très éloigné. Placez ensuite l’oculaire (lentille B) à une distance correspondant à sa distance focale de l’autre côté de l’écran. (Voir figure) Retirez l’écran; observez en collant votre oeil sur l’oculaire, complétant les ajustements au besoin. Donnez les caractéristiques de l’image finale observée. Évaluez le grosissement.
La lunette terrestre (de Galilée) est particulièrement adaptée pour observer des objets de notre environnement et nous en donner une image droite.
Afin de réaliser une lunette terrestre, utilisez la lentille D comme objectif et formez sur votre écran une image nette d’un objet éloigné.
Utilisez comme oculaire la lentille divergente E et placez-la en avant de l’écran à une distance correspondant à la valeur absolue de sa distance focale.
Retirez l’écran et placez votre oeil à proximité de l’oculaire, complétant les ajustements au besoin. Donnez les caractéristiques de l’image observée. Évaluez le grossissement obtenu.
