Travaux pratique de physique 1ére année SNV

Mr. Lakehal Chaouki

2019-2020

Université D’Oum El Bouaghi

Faculté des sciences exactes et sciences de la nature et de la vie

Département des sciences de la matière

Travaux pratique de physique

1ére année SNV

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Mr. Lakehal Chaouki

I-But

Dans ce TP il s’agira d’étudier des lentilles convergentes et divergentes qui sont les

constituants de base de nombreux instruments d’optique (microscope, satellite,

lunette, loupe …etc.).

Toutes les lentilles utilisées dans ce TP seront considérées comme des « lentilles

minces » et l’on travaillera dans les conditions de Gauss.

Le but de ce TP est de vous faire découvrir la formation d’images par une lentille et

les caractéristiques de ces images et de la lentille. Vous serez amenés à vérifier

expérimentalement la relation de conjugaison des lentilles minces (relation qui lie la

position de l’image à celle de l’objet à travers une lentille supposée mince) et vous

mettrez en place plusieurs méthodes permettant de mesurer la distance focale d’une

lentille. C’est ce que l’on appelle de la focométrie.

Les objectifs essentiels de cette séance sont les suivants :

- Savoir manipuler soigneusement des lentilles pour former une image nette sur un

écran et savoir, par conséquent, relier la position et la grandeur de l’image à celles de

l’objet.

- Etre capable de caractériser une lentille.

- Pouvoir comparer des mesures grâce à la détermination de leurs incertitudes.

Ce compte-rendu contiendra :

� Le but du TP

� Une introduction personnelle expliquant les objectifs de ce TP

� Une description du protocole expérimental employé (il n’est pas nécessaire de

le décrire à chaque nouvelle manipulation si c’est le même ; il faudra alors

juste noter les différences)

� Les schémas de vos expériences

� Des unités et des calculs d’erreur pour exprimer convenablement les résultats

obtenus

� Une conclusion générale.

TP1 - Détermination de la distance

focale d'une lentille mince par la

méthode des points conjugués

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II-Définitions

II-1-Lentilles

On appelle lentille un corps transparent homogène, d'indice n, limité par deux

dioptres dont l'un au moins est une portion d'une sphère.

Les lentilles sont classées en deux catégories :

� Lentille convergente

� Lentille divergente

Une lentille convergente L d’un objet AB donne une image A’B’ (Fig. I.2).

Une lentille convergente est caractérisée par :

a. Distance focale objet OF = f

L

b. Distance focale image OF‘ = f’

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II-2-4- Relation de conjugaison

La relation de conjugaison relie la position d'un objet ponctuel A à celle de son

image A'.

III - Manipulation

1- Identifier les éléments du montage schématisé ci-dessous.

2- Faire le montage.

3- Réaliser les mesures et compléter le tableau ci-dessous, où :

� a : position de l'objet sur le banc optique

� b : position de la lentille sur le banc optique

� c : position de l'image (Ecran) sur le banc optique

a = 25 cm

b (cm) 55 65 75 85 95

c1

c2

c (cm)=(c1+c2)/2

Δc

p = a - b

1/p

p' = c – b

1/p'

1/f'

f '

Δf '

4- Tracer la courbe (1/p') = f(1/p)

5- Déduire la distance focale f ' de la figure.

6- Conclusion.

TP Physique – Optique géométrique

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I. Méthode de Bessel

On considère une lentille mince convergente de distance focale f', de centre O, de

foyers image F' et objet F.

Soient (D), la distance sur l'axe optique entre l'objet A et l'image A', et (d) est la

distance entre les deux positions de la lentille qui assurent la conjugaison de A et A',

(c’est-à-dire la netteté de l'image sur l'écran).

Si la distance D > 4f', Une lentille de distance focale f', il est possible de trouver deux

positions O1et O2 pour lesquelles la lentille donne une image A’B’ dans la même

position.

Dans ce cas, On peut déduire la valeur de la distance focale f' d’une lentille mince par

la formule :

�� D� �d�

4D

TP 2 - Détermination de la distance focale

d'une lentille mince par la méthode de

Bessel et la méthode de Badal


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a) Matériels utilisés

� Une source de lumière.

� Un objet et porte objet.

� Une lentille convergente.

� Un écran et un banc optique

b) Manipulation

Placer la lentille et l’écran sur le banc optique, en choisissant la distance D

(entre l’objet et l’écran) de façon aléatoire. Chercher l’image de l’objet en déplaçant

la lentille. Si D est supérieure à 4f ‘, vous obtenez respectivement deux positions de la

lentille qui donnent une deux images de grandeurs différentes sur l’écran. Si ce n’est

pas le cas, augmentez la distance D en éloignant l’écran de la lentille, jusqu’à

l’obtention des deux positions.

1- Mesurer les distances d (entre les deux positions O1 et O2) et D avec leurs

précisions respectives.

2- Déduire la distance focale de la lentille et son incertitude.

II. Méthode de Badal

Cette méthode permet de mesurer une distance focale d'une lentille

convergente ou divergente.

Dans cette partie, on ne s’intéresse que d’une lentille divergente.

Pour ce faire, on utilise deux lentilles convergentes (L1, L2) de distances

focales f’1 et f’2, et la lentille divergente (L) dont on cherche à mesurer la distance

focale de cette dernière.

� Placer les lentilles (L1, L2), de manière à obtenir une image réelle sur l'écran.

L'objet étant placé au foyer objet de la première lentille.

Noter la position de cette image avec son incertitude ?


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� Déplacer la lentille divergente (L) au plan focal objet de la lentille (L2) (Fig.

ci-dessous). L'image se retrouve de ce fait déplacée.

Rechercher la nouvelle position de cette image en déplaçant l'écran jusqu' à

l'obtention d'une image nette.

Notez la nouvelle position de l’image avec son incertitude ?

� Déduire le déplacement de l'image noté D ainsi que la distance focale de la

lentille (L) donnés par : ��

�

et ��

��

�

f2’ : la distance focale de la deuxième lentille (L2).

1- Déterminer la distance focale f’ de la lentille divergente et son incertitude sur

Δf.

Fig. I.11.Méthode de BADAL


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II-1- But

Le but de ce TP est de reproduire sur le banc d’optique quelques instruments d’optiques

tels que l’œil, le microscope et de déterminer leurs caractéristiques.

II-2- Principe

Le microscope optique est un système optique à lentilles dont le but est d'obtenir une

image agrandie de l'objet observé.

L'objet à observer est placé devant le premier groupe optique appelé « objectif ». Si

l'objet est au-delà de la distance focale, cela forme une image réelle renversée de taille

différente ; l'image est plus grande que l'objet si celui-ci est situé à une distance inférieure au

double de la distance focale de l'objectif.

Le deuxième groupe optique du côté de l'observateur est l'oculaire : il est positionné de

sorte que l'image soit dans son plan focal. Ainsi, l'œil observe une image « à l'infini » (pour un

observateur standard), donc en relâchant les muscles chargés de l'accommodation, offrant un

meilleur confort visuel.

Il s'agit d'un système centré dioptrique, composé en partie de doublets pour en corriger certaines

des aberrations optiques.

TP3 – Le Microscope Optique


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A contrario d'autres systèmes optiques qui sont définis par leur grossissement

optique (télescope) ou leur grandissement (appareil photographique), le terme approprié, pour le

microscope, est sa puissance, rapport de l'angle, sous lequel est vu l'objet à travers l'instrument,

à la longueur de cet objet.

La technique d'illumination la plus utilisée en microscopie à champ large classique est

l'illumination de Köhler, qui garantit une qualité d'image optimale.

II-3- Modélisation d'un microscope

Un microscope peut être modélisé par un enssemble de deux lentilles minces

convergentes (Fig. II.2). Les deux lentilles ont le même axe optique et sont fixes l'une par

rapport à l'autre.

L'interval optique ∆ est la distance qui sépare le foyer image F'1 de l'objectif du foyer

objet F2 de l'oculaire : ∆ =F'1F2 Dans un microscope l'intervalle optique est constante.

II-3-1- Montage

Matériels utilisés (Fig. II.3) :

� Objet : Une lettre placée devant la lanterne (ici une flèche).

� Banc d'optique.

� Une lampe.

� Objectif L1 : Une lentille convergente de vergence f =10 cm.

� Oculaire L2 : Une lentille convergente de vergence f =20 cm.

� Lentille L3 : Une lentille convergente de vergence f =15 cm (de l'œil réduit).

� Un écran recouvert de papier millimétré (jouant le rôle de la rétine).

� La distance O1O2(O1O2 =90cm) devra rester constante durant toute la manipulation.


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II-3-2- Manipulation

Nous utiliserons un objet AB, de taille AB = 3 mm. Ne modifiez plus par la suite cette

distance objectif-oculaire (O1O2= 90 cm) qui doit rester fixe.

1- Tracez le graphe γ en fonction de la distance d’objet de S1A (γ= f(S1A)) avec γ =

A2B2/AB.

2- Complétez ce Tableau

S1A (cm) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19

AB (mm) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

A2B2(mm)

γ

S2A(cm)

3- Que peut-on dire de sa taille ?

4- Représenter le schéma 1 correspondant au montage réalisé : une échelle sur l’axe

optique et échelle 1 verticalement (Positionner la lentille L2, puis la lentille L1 d’abord

puis F, F’, F1, F2, F’1, F’2).

II-3-3- Les plans principaux et les plans anti-principaux.

- Les plans principaux de l’image et l’objet (H, H’), ce sont les plans qui donnent γ = 1.

- Les plans anti-principaux (H1, H1’), ce sont les plans qui donnent γ = -1.

5- Donnez ces plans.

6- Montrez leurs positions sur le schéma1.

7- Déduire les positions des plans.

8- Montrez cette relation : f � = − ��

�

��

� ��

II-4- Les caractéristiques de microscope

L'œil de l’observateur (Fig. II.4) est modélisé par une lentille mince convergente L3de

distance focale (f’3= 15 cm) et d'un écran Esitué dans le plan focal image de L3 (L3modélise le

S1H (cm)

S1H’ (cm)

S2H1 (cm)

S2H’1(cm)


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système (cornée-cristallin milieux aqueux et (E)modélise la rétine de l’œil). L’œil modélisé est

considéré ici comme un œil normal au repos, c’est à dire qui voit net un objet à l’infini.

II-4-1- Puissance du microscope et grandissement de l’objectif

1ère

méthode

Démonter l’écran et le placer en A1, sur le plan focal objet de l’oculaire (ou doit se

former l’image sortant de l’objectif) (Fig. II.4).

1- Déterminer la taille de l’image A1B1. En déduire le grandissement Gde l’objectif.

On remarque que : tan �� = ��

�� = ��

��

Et l'angle α’ étant petit, on aura : tan �� ≃ �� = ��

��

2- Calculer alors la puissance Pdu microscope définie par : � = ��

��

2ème

méthode

Soit α’ l’angle en radians sous lequel l’image formée par l’objectif est vue à travers l’œil

fictif.

On a : tan �� = ��

�� = ��

��

Et l'angle α’ étant petit, on aura : tan �� ≃ �� = ��

��

3- Mesurer précisément la dimension de l'image A2B2 sur l'écran (analogue à l'image

rétinienne).

4- Calculer alors la puissance P du microscope définie par : � = ��

��

5- Préciser l’unité.

6- Laquelle des deux méthodes de mesure est la plus fiable (justifier).

7- Exprimez le signe de puissance.

P = 1"�

1"� =

#$�#%

�

"$� ∗ "%

�


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III-1- Introduction

La spectroscopie est l’ensemble des techniques qui permettent d’analyser la lumière

émise par une source lumineuse. Pour cela, on utilise un spectroscope qui permet d’étudier le

spectre d’émission, c’est-à-dire l’ensemble des radiations émises par la source lumineuse.

Au milieu du XIXe siècle, c’est l’allemand Gustav Kirchhoff qui postule l’existence de

différents types de spectres selon la nature de la source lumineuse. Ce TP est destiné à montrer

qu’à partir de la connaissance de son spectre d’émission, il est alors possible d’identifier un gaz.

Nous rappelons deux résultats importants pour ce TP (voir le cours) concernant l’établissement

de ces formules) :

� L’indice n d’un matériau qui compose un prisme peut être déterminé connaissant l’angle

au sommet du prisme A et de l’angle de déviation minimum Dm d’une longueur d’onde

considérée. On a alors : � = sin �� / sin ��

� (1)

� L’indice n d’un matériau dépend de la longueur d’onde λ de la radiation qui le traverse,

par conséquent, l’angle de déviation minimum dépend aussi de cette longueur d’onde.

La variation de l’indice de réfraction du matériau en fonction de la longueur d’onde est

donnée par la relation suivante dans le domaine des longueurs d’onde visibles, où a et b

sont des constantes. � = � + �� (2)

Dans un premier temps, à l’aide de lampes spectrales de longueurs d’onde λ connues, un

étalonnage du spectroscope va être effectué. On étudiera systématiquement la variation de Dm

en fonction de λ pour un prisme d’angle au sommet A et on en déduira un étalonnage donnant la

variation de l’indice n en fonction de la longueur d’onde λ.

Dans un second temps, la mesure des angles Dm, et donc des indices n correspondant à

chaque raie d’émission d’un élément inconnu, va permettre, en utilisant l’étalonnage précédent,

de déduire les longueurs d’onde de l’élément inconnu. Ces longueurs d’onde permettront enfin

d’identifier cet élément en consultant la table donnant les longueurs d’onde d’émission des

principaux éléments employés dans les lampes spectrales.

TP4 – Spectroscopie par prisme


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III-2- Le spectroscope

III-2-1- Description

Le spectroscope comporte trois parties (Fig. III.1) :

� Le collimateur : il est constitué par une fente F placée dans le plan focal objet d’une

lentille L1. Cette fente est éclairée par la source S et sa largeur est réglable au moyen

d’une vis micrométrique.

� Le prisme : les rayons incidents issus de la source arrivent sur le prisme et en ressortent

déviés d’un angle D qui dépend de la longueur d’onde λ. Le prisme est fixé sur une

plateforme rotative munie d’un vernier permettant une lecture aisée des angles de

déviation.

� La lunette: tous les faisceaux monochromatiques pénètrent dans la lunette d’observation

et viennent former dans le plan focal de l’objectif L2 des images réelles de la fente

d’entrée. Il y aura donc autant d’images de la fente qu’il y a de radiations

monochromatiques dans la lumière émise par la source étudiée.

Ces images réelles sont examinées à l’aide de l’oculaire L3 jouant le rôle de loupe. Il

donne de ces raies des images virtuelles très agrandies. La mise au point se fait en modifiant le

tirage de l’oculaire à l’aide d’une vis de crémaillère V1.

On utilise le prisme (Fig. III.2) avec un faisceau parallèle ; c’est à cette seule condition

que l’image d’un point est un point (stigmatisme rigoureux) et non une tache. Ainsi, une fente

lumineuse fine parallèle à l’arête et situé à l’infini dans une direction très précise, sera vue, à

travers le prisme, avec la même finesse et dans une direction différente (déviation D).

III-2-2- Réglage du spectroscope

Après avoir réglé l’oculaire pour voir nettement le réticule, enlever le prisme avec son

support de la platine.

� Allumer la lampe spectrale au mercure (Hg) et placer la derrière la fente.

� Avec la vis F, ouvrir très légèrement la fente. Les bords de celle-ci doivent apparaître

nettement dans la lunette si elle est placée dans l’axe du collimateur.

� Avec la vis V2, régler la hauteur afin de voir l’image de la fente au milieu de champ

visuel et faite la pivoter si nécessaire de façon à ce qu’elle apparaisse verticale.

� Placer ensuite le prisme sur la platine.


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Fig. III.1. Le spectroscope


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III-3- Mesures

III-3-1- Angle du prisme A

La procédure expérimentale est la suivante :

� Recevoir le pinceau de rayons issu du collimateur sur l’arête du prisme de façon à ce

qu’il se partage à peu près également sur les deux faces utiles du prisme.

� Viser alors au moyen de la lunette, dans les pinceaux réfléchis, les images de la fente et

noter leurs abscisses angulaires : Ɵ et Ɵ′.

Les directions des pinceaux réfléchis forment un angle égal à 2A (Fig. III.3), on a donc :

A = (θ� − θ)/2

1- Observez-vous des raies de différentes couleurs ? Pourquoi ?

2- Déterminer A et ∆A/A.

3- Cette valeur vous semble-t-elle en accord avec une évaluation visuelle de l’angle au

sommet du prisme ?

4- Compléter le tableau 1.

Tableau 1

Ɵ1 Ɵ2 A ∆A/A

1er

mesure

2ème

mesure

3ème

mesure

Fig.III.2.Prisme


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III-3-2-Angle de déviation minimum Dm et étalonnage en longueur d’onde

La procédure expérimentale est la suivante :

� Le prisme est fixé sur une plateforme tournante. Orienter cette plateforme de manière à

ce que les rayons issus du collimateur arrivent sur la face d’entrée du prisme sous une

grande incidence.

� Chercher le spectre de raies à l’œil, puis positionner la lunette de manière à recevoir les

rayons émergents (réfractés) du prisme.

� Lorsque l’on suit une raie de couleur déterminée, on constate en tournant toujours la

plateforme dans le même sens, que le rayon dévié se déplace dans un sens puis s’arrête

avant de repartir dans l’autre sens. Cet “arrêt” correspond au minimum de déviation.

� Au voisinage de l’angle pour lequel on a repéré la déviation minimale, bloquer la lunette

(vis V3) et utiliser V2 de manière à centrer la raie sur le réticule de visée. Relever sur le

vernier l’abscisse angulaire Ɵi correspondant au minimum de déviation.

� Répéter cette mesure pour la position Ɵ′i symétrique par rapport à l’axe du collimateur.

1- Pour chacune des raies observées, suivre la procédure décrite ci-dessus pour déterminer

les abscisses angulaires Ɵi et Ɵ′i.

2- En déduire les angles de déviation minimum Dm, tels que � = (�� − ��)/2

Fig. III.3. Angle du prisme A


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3- Calculer son incertitude ∆Dm.

4- En vous appuyant sur les tableaux ci-dessous qui indiquent les raies d’émission des

lampes au mercure (Hg) et au cadmium (Cd), tracer sur le même graphique la courbe

d’étalonnage du spectromètre Dm = f(λ).

Fig.III.4.Angle de déviation minimum Dm

Cadnium (Cd) Mercure (Hg)

Raie d’émission Longueur

d’onde

Intensité Raie d’émission Longueur

d’onde

Intensité

Rouge 643.8 nm forte Doublet jaune 579.1 nm

577.0 nm

forte

forte

rouge 632.5 nm faible Verte 546.1 nm forte

verte 508.6 nm forte bleue 491.6 nm faible

bleue 480.0 nm forte bleue-violette 435.8 nm forte

bleue

violette

467.8 nm

441.5 nm

forte

faible

violette 407.8 nm

404.7 nm

moyenne

moyenne


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III-3-3- Détermination de l’indice n

D’après les expériences précédentes calculer l’indice n et son incertitude ∆n pour

chacune des raies observées.

1- Compléter les tableaux 2 et 3.

2- Calculer ∆n on prend ∆Ɵ = 1′.

3- Tracer la courbe n = f(λ).

4- Expliquer les résultats obtenus.

Tableau 1

Radiations λ(A°) Ɵ Ɵ’ Dm ∆Dm

Cd

R1 = 6438.47

Ve = 5085.82

B = 4799.91

Bf = 4673.15

Hg

J1 = 5790.66

Ve = 5460.75

B3 = 4358.34

V2 = 4046.57

Tableau 2

Radiations λ(A°) A n Dm ∆n

Cd

R1 = 6438.47

Ve = 5085.82

B = 4799.91

Bf = 4673.15

Hg

J1 = 5790.66

Ve = 5460.75

B3 = 4358.34

V2 = 4046.57


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II-3-4- Détermination des raies d’un spectre d’émission d’une lampe inconnue

On utilise maintenant comme source une lampe inconnue que l’on souhaite identifier.

1- Pour chacune des raies émises pas la lampe inconnue déterminer l’angle de déviation

minimum Dm.

2- En utilisant la courbe d’étalonnage du spectromètre établie précédemment, en déduire

les longueurs d’onde émises par la source inconnue.

3- En se référant aux spectres représentés ci-après et aux tableaux fournissant les valeurs

des longueurs d’onde d’émission de différents éléments, identifier l’élément de la lampe

inconnue.

III-3-5- Détermination de la loi de variation n(λ)

1- Calculer l’indice n pour chacune des raies des lampes Hg et Cd.

2- Tracer la courbe n = f(1/λ2) et en déduire que la loi de la variation de n peut se mettre

sous la forme n = a + b/ λ2 , où l’on déterminera les valeurs de a et b.

3- Quelle est la variation relative de n dans le domaine de longueur d’onde utilisé (400

nm< λ <650 nm).


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Longueurs d’onde dans le spectre visible des raies intenses de quelques éléments

Cadmium Césium Hélium Mercure Potassium

441.5

467.8*

480.0*

508.6*

515.4

609.9

611.1

632.5

633.0

643.8

734.6*

738.5*

739.9*

455.5*

459.3*

519.7

525.7

584.4

601.0

603.4

621.3

638.7

658.6

658.6*

672.3*

687.0

697.3*

722.9*

402.6

438.8

447.1

447.1*

492.2

501.6

504.8

587.6*

667.8

706.5

728.1

404.7*

407.8

435.8*

491.6

546.1*

577.0

579.1*

404.4*

404.7

418.6

693.6

766.5*

769.9*

Sodium Néon Zinc Thallium Rubidium

449.4

449.8

568.8

588.995*

589.592*

603.0*

607.4*

614.3*

633.4*

638.3*

640.2*

650.7*

659.9*

692.9*

703.2*

717.4*

724.5*

703.2*

468.0

477.2*

481.1*

518.2

636.2*

535.0*

655.0

671.4

420.2*

421.6

536.3

543.2

565.4

607.1*

616.0*

629.9*

(Les longueurs d’onde sont exprimées en nm et les raies les plus intenses sont signalées par *)

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Travaux pratique de physique 1ére année SNV