Terminale STL

Terminale STL
Physique de Laboratoire et Procédés Industriels
EXERCICES D'ÉVALUATION EN OPTIQUE (Terminale P.L.P.I.) Que faut-il évaluer prioritairement en Optique ? L'évaluation doit être adaptée aux objectifs de cet enseignement à savoir
l'acquisition de solides connaissances et savoir-faire débouchant sur des
applications pratiques.
On peut établir une liste sans doute incomplète d'activités qu'un élève
moyen doit être apte à maîtriser à l'écrit,
par exemple :
a- Faire, compléter tous types de construction.
(marche des rayons, objet/image dans systèmes minces ou épais) interpréter
le résultat. b- Utiliser les relations de conjugaison bien connues (lentilles minces :
Descartes, Newton ; systèmes épais : Newton). c- Associer des systèmes (2 lentilles minces, et aussi 1 objectif + 1
oculaire). d- Faire intervenir les contraintes liées à la position de l'?il et à ses
capacités d'accommodation.
Déterminer la pupille de sortie d'une lunette, d'un microscope. e- Utiliser à bon escient les grandeurs qui s'appliquent à l'utilisation de
tel ou tel instrument (puissance, grandissements, grossissement). f- Mettre en ?uvre des concepts d'optique physique dans le cas
d'interférences à deux sources ou de réseau plus exceptionnellement dans le
cas de polarimétrie ; une question de photométrie pouvant venir en
complément dans un exercice. En outre, l'aspect pratique étant essentiel, on peut concevoir des
exercices d'évaluation faisant référence à des situations rencontrées en
TP, mais en insistant plus sur l'aspect interprétation que sur l'aspect
manipulation proprement dit :
les capacités évaluées sont :
analyse et compréhension d'une situation pratique particulière ;
exploitation des mesures ;
modélisation.
Quelques pistes pour de tels exercices :
o Focométrie Méthode de Cornu utilisant les faces
Méthode de Cornu aux plans antiprincipaux
Méthode h'/tan ?
o Détermination d'une grandeur spécifique à un instrument tel
que
oculaire, objectif, lunette, microscope
o Exploitation d'une série de mesures obtenues à l'aide de
- goniomètre, prisme ;
- goniomètre réseau
- polarimètre ;
- luxmètre
- spectrophotomètre (absorption d'un filtre par exemple)
Dans cet esprit, les premiers exercices proposés dits exercices en liaison
avec les travaux pratiques sont proposés les autres se partageant en deux
autres rubriques :
1- EXERCICES EN LIAISON AVEC LES TRAVAUX PRATIQUES 2- EXERCICES D'OPTIQUE INSTRUMENTALE. 3- EXERCICES D'OPTIQUE PHYSIQUE.
Votre avis serait précieux : toutes critiques, suggestions et propositions
de collègues impliqués dans l'enseignement de l'optique dans la section
seront les bienvenues : elles permettront d'affiner et compléter cette
rubrique que nous pourrons régulièrement mettre à jour. D'avance merci !
1-EXERCICES EN LIAISON AVEC LES TRAVAUX PRATIQUES EXERCICE 1-1 Étude d'un objectif d'agrandisseur. 1. Un objectif d'agrandisseur-photo est constitué de 2 lentilles
convergentes identiques ; il est donc symétrique.
Pour déterminer sa distance focale, on réalise le montage suivant :
On dépose un peu de poudre sur la face d'entrée E et on pointe, dans
cet ordre :
E', l'image de la face d'entrée E ;
S, la face de sortie
et F' le foyer image de l'objectif.
xE' = 1157 mm ; xS = 1200 mm ; xF' = 1233 mm.
Déterminer F' E'. Montrer qu'on peut connaître FE puis calculer la
distance focale f '.
2. On donne l'épaisseur du doublet ES = 2,8 cm et son symbole :3 1 3.
A partir de ces données, vérifier que la distance focale de l'objectif
est bien compatible avec celle calculée dans la question précédente.
3. Sur papier centimétré représenter l'objectif à l'échelle horizontale 2 ;
placer F et F ' ainsi que H et H'. EXERCICE 1-2 Étude d'un objectif-photo On dispose d'un objectif-photo, système épais convergent d'épaisseur e =
AB = 5,5 cm. Pour en faire l'épure. On utilise la méthode de Cornu avec les
faces. La face d'entrée est A et la face de sortie B.
Le système étant traversé par la lumière de A vers B, on pointe avec le
viseur :
o l'image du réticule du collimateur, on note la position du viseur sur
banc : x1 = 122,3 cm ;
o la face de sortie, on note xB = 114,7 cm ;
o l'image de la face d'entrée, on note xA' =110,0 cm.
On retourne le système, il est alors traversé par la lumière de B vers A :
on pointe avec le viseur :
o l'image du réticule du collimateur, on note x2 = 119,1 cm ;
o l'image de B, on note xB' = 93,8 cm ;
o la face A ; on note xA = 103,9 cm. 1- Placer les faces A et B sur un schéma rapide sans échelle, calculer
F 'A, F 'B, FA', FB' puis marquer les positions de F', A', F, B'
Calculer la distance focale de cet objectif.
2- Choisir une échelle, puis faire l'épure de cet objectif sur papier
millimétré. EXERCICE 1-3 (Exercice expérimental) Mesure du pouvoir dispersif d'un verre.
Pour déterminer le pouvoir dispersif du verre d'un prisme en flint, on
mesure l'indice pour différentes longueurs d'onde :
|? (nm) |657 |634 |613 |593 |
|? |4,7° |10,7° |15,8° |21,4° | 2-1- Tracer le graphe ? = f(C) en prenant pour échelles :
en abscisses 1 cm pour 10 g.L-1
en ordonnées 1 cm pour 1°.
Commenter la position des points expérimentaux sur le graphe.
2-2- Déterminer à l'aide du graphe la concentration d'une solution de même
nature dont l'angle de rotation est de 16,2°.
2-3- Le tube a une longueur de 20,0 cm. Déterminer, à l'aide du graphe, le
pouvoir rotatoire spécifique du saccharose exprimé en °.g-1.L.dm-1 2-EXERCICES D'OPTIQUE INSTRUMENTALE. EXERCICE 2-1 (Association de lentilles minces)
On associe deux lentilles minces L1 et L2 de centres respectifs O1 et O2.
L1 est une lentille convergente de distance focale image f '1 = + 15 cm. L2
est une lentille divergente de distance focale image f '2 = -5 cm. La
distance entre L1 et L2 est [pic]= +10 cm. La lumière provenant du sujet
rencontre d'abord L1
1- Où est situé le foyer image F 'du système ? Où se trouve le foyer
objet ? Quel nom donne-t-on à ce système ? Schéma.
2- La lentille L1 donne d'un objet AB perpendiculaire à l'axe principal (A
sur l'axe) une image A1B1=L2 donne de A1B1 une image définitive A2B2
[pic] = - 50 cm.
Calculer [pic]. Schéma.
3- AB = 1,0 cm. Calculer ?1 = [pic], A2B2 et ? = [pic], EXERCICE 2-2 (Positions de l'?il utilisant un oculaire, profondeur de
champ) Un oculaire équipant un viseur de banc d'optique est muni d'un réticule
placé en avant du verre d'?il. Sa vergence est de 25,0 dioptries.
1- Quel est son grossissement commercial.
2- L'?il de l'observateur a son centre optique confondu avec le foyer
principal image de l'oculaire. Entre quelles positions extrêmes doit être
situé le réticule pour que l'image se forme entre 25 cm et l'infini de
l'?il de l'observateur ?
3- En déduire la latitude de mise au point.
4- Des positions extrêmes déterminées laquelle doit être préférée ?
Justifier la réponse. EXERCICE 2-3 (Lunette). Une lunette de banc d'optique est constituée :
- d'un objectif assimilable à une lentille mince achromatique de distance
focale f '1 = 16 cm ;
- d'un oculaire de vergence V2 = 25 ?. 1- La configuration de la lunette représentée sur la figure est celle d'une
lunette afocale ; pourquoi ?
2- Construire A'B', image de l'objet A0B0 par la lunette. (document à
compléter) à rendre avec la copie).
3- Utiliser la relation de conjugaison avec origines aux foyers pour
confirmer la position de A' trouvée en 2-.
4- Utiliser le document à compléter pour montrer que le grandissement
transversal (?) est le même que l'objet soit en A0B0 ou en n'importe
quelle autre position A1B1.
Quelle est sa valeur de | ? |
5- La lunette est maintenant utilisée pour observer des objets lointains.
Définir ce qu'est le grossissement d'un instrument (G) du genre de cette
lunette.
Écrire l'expression du grossissement de la lunette afocale et calculer la
valeur de | G |.
Quelle relation existe-t-il entre le grandissement transversal et le
grossissement de la lunette ?
5- Deux sources de lumière sont placées à 1 km d'un observateur dont le
pouvoir séparateur de l'?il est ? = 3 x 10-4 radian (soit un angle
d'environ 1').
6- Quelle doit être la distance minimale entre ces deux points lorsque
l'observateur les observe : - à l'?il nu.
- à travers la lunett
EXERCICE 2-4 (Lunette).
Une lunette astronomique est constituée d'un objectif convergent de
distance focale égale à 1,00 m et de rayon d'ouverture R1 = 5 cm donnant de
la lune une image réelle que l'on examine à l'aide d'un oculaire de
vergence V2 = 40 ? (voir document). La mise au point s'effectue en
déplaçant l'oculaire suivant l'axe optique.
L'?il de l'observateur est placé au foyer image de l'oculaire.
1. La lunette est utilisée par un observateur dont l'?il est emmétrope et
n'accommode pas pour pointer la lune ; on désigne par A et B deux points
diamétralement opposés du disque lunaire, A étant situé sur l'axe.
sur le document à compléter,
a- Réaliser le schéma de la lunette en associant l'oculaire à
l'objectif. (pour la clarté, les échelles ne sont pas respectées)
b- Construire l'image intermédiaire A1B1 donnée par l'objectif
c- Tracer les rayons-limite du faisceau inc