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Groupe Physique Chimie de Toulouse - Documents Pédagogiques Publics

Classe de Terminale *** T.P. de Physique Spécialité

Produire des images, observer.

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FICHE T.P. 00                      Fiche de documentation

                                    Sur les instruments d’optique.

Cette fiche est un exemple de support documentaire sur les instruments d’optique traités en Spécialité.

Elle sera utilisée au cours de la première séance pour faire l’inventaire des éléments constitutifs de chaque instrument (lentilles, miroirs…).

Elle pourra être réutilisée par la suite, par exemple, pour commenter les valeurs des distances focales réelles par rapport à celle des lentilles utilisées pour la modélisation …

Pour chaque instrument, la première approche est plutôt historique, la deuxième plutôt descriptive et technique.

I - Le MICROSCOPE :

 

1 - Premières images au microscope :

Il y a 4 siècles, le monde extraordinaire de l’infiniment petit était totalement inconnu de l’Homme. Vers l’an 1600, on découvrit que la combinaison de plusieurs lentilles convergentes permettait d’obtenir un instrument d’observation optique.

«  En 1674, le Hollandais Antonie Van Leewenhoek découvrit, grâce à l’un de ses microscopes, un nouvel univers. Il observait de la vase recueillie dans un lac lorsqu’il découvrit des organismes inconnus... Il ouvrait ainsi par inadvertance la voie de la microbiologie. Il fabriqua lui-même plus de cinq cents microscopes...; son premier microscope ne comporte qu’une seule lentille de forme convexe, ce qui l’apparente purement et simplement à une loupe ».

                                      Revue Pour la Science - Juillet 1998 - Brian Ford, biologiste anglais

En 1619, le microscope de  Jansen est décrit en partie par W. Boreel, ambassadeur de France en Hollande, de la manière suivante : « ..la base était constituée d’un disque d’ébène, sur lequel on plaçait des objets minuscules que l’on regardait d’en haut et qui étaient presque miraculeusement grossis »

                                      Les grandes inventions - Michel Rival

Les premiers observateurs virent des images très déformées à cause de la médiocre qualité du verre et des lentilles. Celles-ci se perfectionnèrent beaucoup au cours du XIX° siècle et le microscope se développa.

2 - Fiche descriptive d’un microscope :

- tube monoculaire droit ;  potence inclinable

- mouvement rapide par crémaillère

- mise au point par vis micrométrique

- diaphragme à iris

- objectifs : focales 10 mm et 5 mm - diamètre 6 mm

- oculaire : focale 50 mm


II - La LUNETTE ASTRONOMIQUE :

 

1 - Un peu d’histoire :

La première association de lentilles permettant de constituer une lunette est ancienne. On pense qu’elle date des années 1590. Elle serait due à l’Italien Giambattista delle Porta(1535-1615) suivie par celle du Hollandais Hans Lippershey. Galilée reprit cet instrument  pour en faire une utilisation astronomique.

Voici ce que dit Galilée en Mars 1610 :

« Je me suis d’abord fabriqué un tube de plomb aux extrémités duquel j’ai adapté deux lentilles de verre, toutes deux planes d’un côté, mais l’une sphériquement convexe et l’autre concave du côté opposé ; ensuite en approchant mon oeil de la lentille concave , j’ai vu les objets assez grands et rapprochés ; de fait, ils apparaissent trois fois plus proches et neuf fois plus grands que s’ils étaient seulement regardés à l’œil nu ».

                                                   Galilée, le messager des étoiles -J-P Maury -Découvertes Gallimard

2 - Un peu de technique :

Sur un catalogue de vente par correspondance, on peut lire, entre autres, les renseignements suivants :

Lunette astronomique – Caractéristiques.

Objectif : diamètre 60 mm - focale : 800 mm

Objectif traité antireflet - objectif achromatique

Oculaires : 6 mm, 12,5 mm et 20 mm,

Grossissement  : 40 x  à  133 x

Longueur du tube : 85 cm

La grande lunette de l’observatoire de Nice, grâce à son objectif de distance focale  17,89 m  ( de diamètre 83 cm) et à ses oculaires de 10 mm et 8 mm, permet des grossissements de 1800 à 2000.

III - Le TELESCOPE :

1 - L’invention du télescope :

En 1669, le jeune Isaac Newton, à peine âgé de 27 ans, est nommé professeur de mathématiques à  Cambridge, période au cours de laquelle il présente son télescope à miroirs à la Royal Society.

« Si Newton a construit le premier télescope , c’est parce qu’il est persuadé, à tort, que sa théorie des couleurs condamne la lunette astronomique. Il a démontré en effet, que la lumière blanche était un mélange de lumières colorées, que le prisme déviait différemment. Mais ce n’est pas vrai seulement du prisme. Cela va se produire chaque fois que la  lumière traverse la surface d’un morceau de verre, une lentille en particulier : l’objectif d’une lunette donnera toujours des images irisées ».

 

Persuadé qu’il est impossible d’annuler ce défaut, Newton cherche une solution radicale : pas de lentille !

«  Le télescope doit remplacer la lunette, car son miroir ne risque pas de disperser les couleurs de la lumière. Le problème avec le télescope, c’est que l’image se forme devant le miroir. L’idéal pour la regarder serait de mettre la tête devant le tube mais alors on empêcherait la lumière de rentrer....Newton a l’idée de renvoyer le faisceau de rayons non pas vers l’arrière mais sur le côté du tube. Pour cela, il suffit d’un petit miroir plan placé sur l’axe du tube et incliné à 45 degrés.... »

                                      Newton et la mécanique céleste - J P Maury - Découvertes Gallimard

Le premier télescope de Newton mesure à peine 20 cm de long ; pourtant les images sont 9 fois plus grandes qu’avec une lunette de 80 cm.

Actuellement , le VLT « Very Large Télescope » , implanté dans le nord du Chili à 2600 m d’altitude, est composé de 4 miroirs  de 8,2 m chacun , il équivaut à un monstre de 16,4 de diamètre et pourra avoir, dans certaines directions, le pouvoir d’un miroir de 200 m de diamètre.

2 - Schéma d’un télescope de Newton :

Le mot télescope est réservé aux instruments d’optiques dont l’objectif est un miroir concave.

Schéma d’un télescope de type Newton :

Le miroir primaire a généralement une forme parabolique, alors que le secondaire est plan.

Sur la revue « Ciel et Espace », on peut lire sur la fiche de promotion d’un télescope, les renseignements suivants:

  GANYMEDE 502 C

  - télescope type newton

  - diamètre 115 mm - focale 910 mm

  - monture équatoriale allemande motorisable

  - porte oculaire diamètre 31,75 mm - renvoi    coudé

  - livré avec 2 oculaires : OR 6 mm (152x)

                                             et K 20 mm (46x)

  - chercheur achromatique réticulé 6x30


 


En guise de conclusion

IV - Pourquoi les astronomes préfèrent-ils le télescope ? Lunette ou télescope, quelle différence ?

«  Les télescopes, à puissance égale, sont beaucoup plus courts  et plus massifs que les lunettes , donc plus stables et plus maniables. Ils sont moins coûteux mais il est nécessaire de faire ré aluminer leur miroir de temps en temps . Opération simple mais qui privera du plaisir de l’observation pendant plusieurs semaines...

La vision horizontale, dans  le télescope de Newton, est extrêmement commode. Vous observez un astre au zénith comme s’il se trouvait à l’horizon donc sans fatigue.

Un système par réflexion fait coïncider le foyer visuel et le foyer photographique. Les télescopes sont donc bien meilleurs que les lunettes quand il s’agit de photographier les astres. Leur achromatisme est intégral.

Les lunettes sont utilisées , de préférence aux télescopes, en astronomie de position. On leur donne actuellement des dimensions relativement faibles, abandonnant ainsi la construction de lunettes géantes comme celles de Meudon ou de Nice. Pour les amateurs, les lunettes sont intéressantes  jusqu’à 75 mm de diamètre par leur prix et leurs performances.

Les télescopes sont préférés aux lunettes en astronomie physique, étude des spectres de la lumière émise par les astres, photographies d’étoiles...L’emploi de miroirs paraboliques permet d’utiliser de très grandes ouvertures  et de collecter ainsi un très grand flux lumineux. On peut, sans nuire à la perfection des images, réaliser des télescopes deux à cinq fois plus courts, à puissance égale, que les lunettes correspondantes »

                                      « A l’affût des étoiles, manuel pratique de l’astronome amateur »

                                       de Pierre Bourge et Jean Lacroux - Editions DUNOD Paris -

1 - Quelle est la différence essentielle , d’après le texte, entre une lunette et un télescope ?

2 - Résumer les avantages  du télescope sur la lunette astronomique cités par l’auteur.

3 - Que signifie l’expression « achromatisme intégral » ?

4 - Qu’est-ce que l’astronomie ou astrométrie de position ?

 


Compléments

          Copernic (1473-1543), astronome polonais, élabore une nouvelle théorie des mouvements planétaires en passant du géocentrisme à l’héliocentrisme ( double mouvement des planètes sur elles-mêmes et autour du soleil)

             AU XVII° siècle, Galilée et Kepler explorent le ciel avec des instruments d’optiques et apportent les preuves qui manquent à Copernic.

             Galilée (1564-1642), astronome italien, utilise une lunette formée d’un objectif ( lentille convergente) et d’un oculaire ( lentille divergente). Le grossissement d’une telle lunette est limité, il ne dépassera pas 30.

             Kepler (1571-1630), astronome allemand, utilise une lunette formée d’un objectif ( lentille convergente) et d’un oculaire (lentille convergente) : c’est la lunette astronomique. Son grossissement est très supérieur. Actuellement la lunette astronomique de l’observatoire de Meudon a un grossissement théorique de 1660.

             Pour l’observation des astres, il est nécessaire d’avoir pour objectif une lentille de grand diamètre et achromatique. La difficulté de construire une telle lentille est grande et à la fin du XVII siècle, Newton (1642 - 1727), mathématicien, physicien et astronome anglais propose le modèle d’un télescope où l’objectif est un miroir concave et l’oculaire un miroir plan incliné associé à une lentille convergente.


 


Le tour du monde des télescopes.

Le plus glorieux : Mont Palomar ou mont Wilson ? En Californie, vers 1800 m d’altitude

                              Mont Wilson : miroir de 2,5 m (1917)

                              Mont Palomar : Hale, miroir de 5,8 m de diamètre (1948).

Le plus grand : à 4100 m ,au dessus du volcan Mauna Kea, à Hawaï

                         Keck 1 et 2 : 2 miroirs de 10 m de diamètre - mosaïque de 36 petits miroirs hexagonaux de 1,8 m

Le dernier cri : le VLT « Very Large Telescop »- au Cerro Paranal , à 2600 m d’altitude au nord du Chili

                         4 miroirs de 8,2 m chacun, équivalent à un miroir de 16,4 m

Le plus célèbre : Hubble - en orbite autour de la Terre (1990)

                            2,4 m de diamètre - 12 tonnes

Le plus lourd : le BTA « Bolchoï Telescop Azimutalnyi » , à Nigny Arkhyz, au sud de la Russie, dans les monts

                         Caucase, à 2000 m d’altitude

                         6 m de diamètre - 42 tonnes

Autres grands télescopes :

             * Télescope infra-rouge IRTF de Hawaï - diamètre 3 m  (exploration du système solaire)

             *Télescope optique et infra-rouge « Subaru » de Hawaï - diamètre 8,2 m (système solaire, galaxies, et étoiles.)

             * Télescope sub-millimétrique (longueur d’onde 0,3 à 1,0 mm) - diamètre 10m (formation des étoiles à partir de nuages de gaz et poussières - formation des systèmes extra-solaires)

             * Parkes Observatory en Australie : radiotélescope de 64 m de diamètre (structure et évolution des galaxies, pulsars et supernovae , observations radio de Jupiter)

          Caractéristiques de quelques Newton conseillés :

diamètre D (cm)

distance focale f (cm)

secondaire (cm)

valeur  f / D

10

90

2

 

20

140

5

 

25

162,5

7

 

40

220

13

 

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