Caméra et optique.

Utilisation d’une caméra en Sciences
Physiques.
1.
OPTIQUE : POSITION D’UNE IMAGE.
a) Ce que dit le programme :
Observation et localisation des images données et par une lentille
convergente.
Localiser expérimentalement une image.
La loupe et instrument d’optique
b) Positionner une image virtuelle.
Généralement sur le banc d’optique, il est simple de positionner une image « réelle »,
un simple écran suffit. Le problème c’est que cela induit chez nos élèves une
conceptualisation erronée : L’image se forme sur un écran, donc pour voir une image il
faut un écran, pour les autres images que l’on voit à l’œil nu, les images se forment sur la
lentille.
Le programme dit dans ses commentaires :
« L’étude expérimentale des images données par un miroir ou par une lentille
lenti
pourra être présentée en analogie avec le travail effectué en classe de seconde
sur la parallaxe (localisation d’objets inaccessibles). ».
Ce qui suggére fortement de mettre en œuvre des scéances de travaux pratiques à
base de visée.
En effet, le physicien
icien averti utilisera un collimateur avec une lentille auxiliaire pour
« observer » cette image réelle. Mais l’utilisation d’une seconde lentille ne peut que
perturber nos élèves qui sont justement en train d’essayer de comprendre comment
fonctionnent ces lentilles.
Nous nous proposons ici d’utiliser
liser une caméra pour modéliser l’œil, la mise au point
modélisant l’accomodation de l’œil, même si l’on sait que cela ne repose pas sur le même
principe ( mais le statut du modèle pourra être discuté avec les élèves
élèves ultérieurement)
c) Matériel.
L’activité proposée ici se fait en classe entière, nous utiliserons donc un
vidéoprojecteur qui doit servir à projeter l’image obtenue à partir d’une caméra. Cette
caméra doit avoir la profondeur de champ la plus faible possible et posséder un réglage
de mise au point.
La profondeur de champ augmente avec la distance de mise au point. Plus on ferme le
diaphragme, plus la profondeur de champ augmente.
augmente
Si la mise au point est faite sur l'infini, tout paraît net au-delà
au
d'une certaine
distance, en deçà de l'infini, dite distance hyperfocale, qui varie avec l'ouverture du
diaphragme et la focale de l'objectif.
Il faut donc utiliser une camera avec une focale la plus grande possible, les Webcam
de très courtes focale ( environ 2 mm ) ne conviendront donc pas pour toutes les
manipulations :
o
Il faudra parfois avoir recours au camescope numérique ; en
particulier lorsqu’il faut disposer d’une faible profondeur de champ
pour positionner une image.
o
Par contre une simple Webcam suffit pour mesurer un
grossissement.
On dispose en outre d’un objet ( papier milliméré), et dune lentille +8d ou +3d.
2. MANIP 1 : POSITION D’UNE IMAGE VIRTUELLE OU
REELLE. (CAMESCOP E EN MODE MANUEL.)
d) Mise au point.
On fait la mise au point sur un objet relativement proche à environ 30 cm. On fait
remarquer que seul cet objet est net. On peut évaluer la profondeur de champ pour
évaluer le l’erreur ∆x que l’on va faire sur la mesure. Elle doit être la plus courte possible,
on utilisera donc un zoom pour augmenter la focale ( un zoom optique, pas numérique), pas
la peine de trop éclairer l’objet, au contraire, plus le diaphragme sera ouvert plus la
profondeur de champ sera courte.
-
Grande focale + Grande ouverture
≈ 30
cm
e) Observation de l’image.
On insère une lentille et sans toucher au réglage au cherche la nouvelle
position de la caméra qui donne un image nette. Par le calcul, on peut retrouver la
position de l’image. On peut aussi retrouver cette position en déplaçant un
réticule le long du bac d’optique. On voit que l’on peut trouver la position de
l’image simplement.
ܱ‫ܣ‬ᇱ = 30 − ‫ܦ‬
‫ܦ‬
Cette activité peut permettre des activités de prévision/vérification de
situation par les élèves, de visualiser la position d’une image etc ….
3. MANIP 2 : MESURE DU GROSSISSEMENT
COMMERCIAL D’UNE LOUPE ( 1S, TS SPE) :
f)
Matériel.
Une Webcam suffit pour obtenir un résultat correct. Evidemment plus la
profondeur de champ à 25 cm est grande, plus l’erreur peut être grande. On
considère évidemment qu’un objet est vu sous le même angle apparent sur l’image
qui se forme sur le capteur, qui a son tour est projeté sous le même angle
apparent lors de la projection par le vidéo projecteur :
Ecran de
Système de
projection
projection
D
θ
θ
A
B
On voit bien que si le vidéoprojecteur ne bouge pas et donc que la distance D
ne varie pas, on voit que mesurer le grossissement reviendra à calculer le rapport
de la taille des images projeté sans et avec système optique.
g) Mesures :
On place la caméra à 25 cm de l’objet, constitué d’une grille
millimétré. On fait la mise au point et on mesure la taille AB d’un
carreau sur l’écran.
On place le même objet dans le plan focal objet d’une lentille, on
fait la mise au point sur l’infini. On mesure la nouvelle taille A’B’ d’un
carreau sur l’écran.
On vérifie que
‫=ܩ‬
஺′ ஻ ′
஺஻
ଵ
= ସ௙′
pour une loupe.
4. ACTIVITES EN ATELIER :
Effectuer les mesures suivantes
h) Mesure de la distance focale d’une lentille. ( Ou notion d’image à
l’infini ).
On se propose ici de mesurer simplement la distance focale objet d’une
lentille.
i)
Mesure du grossissement d’un microscope.
On va chercher à vérifier que le grossissement d’un microscope est bien :
‫=ܩ‬
∆ ∙ ݀௠
ᇱ
ᇱ
݂௢௕௝
݂௢௖௖
Vérifier qu’il est extrêmement simple de vérifier l’influence des différents
paramètres.
j)
Mesure du grossissement d’une lunette astronomique.
On va chercher à vérifier que le grossissement d’une lunette astronomique
est bien :
ᇱ
݂௢௕௝
‫ =ܩ‬ᇱ
݂௢௖௖
Pour chercher un peu plus :
Les conditions de Gauss.
Les Phénomènes de diffraction.
L’image donnée par un miroir.
k) Etc ……
Un document de J.Devalette sur une idée de V.Policarpo.
Professeurs au lycée Lyautey.