Spécialité physique-chimie, Terminale • Exercices corrigés à Montréal

Exercices corrigés : la lunette astronomique (Terminale spécialité)

Voici quinze exercices corrigés de spécialité physique-chimie sur la lunette astronomique, au niveau de la classe de Terminale du programme français, tel qu'il est suivi en France comme dans les lycées du réseau AEFE.

Le fil de la série : une lunette afocale ne grossit pas des objets, elle grossit des ANGLES. L'objet est à l'infini, l'image finale aussi, et tout se lit en diamètres apparents : c'est pour cela que le grossissement est un rapport d'angles et non de tailles.

Deux pièges reviennent d'un exercice à l'autre : le foyer IMAGE de l'objectif doit coïncider avec le foyer OBJET de l'oculaire, et le diamètre de l'objectif ne change rien au grossissement, il décide de la luminosité et de la finesse des détails.

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Ce chapitre fait partie de Spécialité physique-chimie en Terminale
Avant de commencer Fiche de révision : les pièges et la méthode de ce chapitre

Avant ce chapitre

Ces notions sont supposées acquises ici. Si le premier exercice résiste, le blocage vient presque toujours de l'une d'elles, pas du chapitre lui-même.

Remonter plus loin : la chaîne complète (5 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Ondes et signauxSeconde
  2. 2Vision et image : lentilles et réfractionSeconde
  3. 3Ondes, lentilles et lumièrePremière
  4. 4Mouvement, vitesse et lumièreQuatrième
  5. 5Lumière, couleurs et spectresTroisième

Rappel de cours

  • Lentille mince convergente : un objet à l'infini donne une image dans le plan focal image. Relation de conjugaison 1OA1OA=1f\dfrac{1}{\overline{OA'}}-\dfrac{1}{\overline{OA}}=\dfrac{1}{f'} et grandissement γ=OAOA\gamma=\dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}.
  • Modèle de la lunette : un objectif L1L_{1} de grande distance focale f1f'_{1}, tourné vers l'objet, et un oculaire L2L_{2} de petite distance focale f2f'_{2}, placé contre l'œil.
  • Lunette afocale : le foyer image F1F'_{1} de l'objectif est confondu avec le foyer objet F2F_{2} de l'oculaire. Un objet à l'infini donne alors une image finale à l'infini, observée par l'œil sans accommoder.
  • Image intermédiaire : A1B1A_{1}B_{1}, réelle et renversée, dans le plan focal image de l'objectif, de taille A1B1=f1θA_{1}B_{1}=f'_{1}\,\theta.
  • Faisceau émergent : les rayons issus d'un point BB à l'infini sortent parallèles entre eux, parallèles au rayon qui passe par B1B_{1} et par le centre optique O2O_{2}.
  • Diamètre apparent : angle sous lequel on voit l'objet, θ\theta à l'œil nu, θ\theta' à travers la lunette, exprimés en radians dans l'approximation des petits angles, tanθθ\tan\theta\approx\theta.
  • Grossissement : G=θθ=f1f2G=\dfrac{\theta'}{\theta}=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}}, sans unité. Il ne dépend que des deux distances focales.
  • Cercle oculaire : image de la monture de l'objectif par l'oculaire, juste derrière F2F'_{2}. Tout faisceau qui traverse la lunette y passe : c'est là qu'on place la pupille. Son diamètre vaut d=DGd=\dfrac{D}{G}.
  • Le diamètre DD de l'objectif fixe la quantité de lumière collectée, proportionnelle à D2D^{2}, et la finesse des détails ; il ne change pas le grossissement.
  • Conversions : 1=601^{\circ}=60', 1=601'=60'', et 1=π180 rad1^{\circ}=\dfrac{\pi}{180}\ \mathrm{rad}.

Partie A : les bases (/50)

Exercice 1 : Le modèle de la lunette afocale

Une lunette astronomique est modélisée par deux lentilles minces convergentes de même axe optique : L1L_{1}, de distance focale f1=800 mmf'_{1}=800\ \mathrm{mm}, et L2L_{2}, de distance focale f2=20 mmf'_{2}=20\ \mathrm{mm}. Le schéma n'est pas à l'échelle.

La lunette est réglée pour être afocale. On l'utilise pour observer un objet ABAB très éloigné, considéré à l'infini, le point AA étant sur l'axe.

L1L2F'1 = F2F'2O1O2œil
  • a) Laquelle des deux lentilles joue le rôle d'objectif ? Justifiez.
  • b) Où se forme l'image intermédiaire A1B1A_{1}B_{1} donnée par l'objectif ? À quelle distance de O1O_{1} ?
  • c) Cette image est-elle réelle ou virtuelle, droite ou renversée ? À quelle distance de O2O_{2} se trouve-t-elle ?
  • d) Calculez les vergences des deux lentilles.
  • e) Un observateur myope rapproche légèrement l'oculaire de l'objectif, de sorte que A1B1A_{1}B_{1} se trouve entre F2F_{2} et O2O_{2}. La lunette est-elle encore afocale ? Où se forme l'image finale ?

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a)
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c)
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Réponses

  • a) L1L_{1}, de grande distance focale, tournée vers l'objet
  • b) Dans le plan focal image de L1L_{1}, à 800800 mm de O1O_{1}
  • c) Réelle, renversée, à 2020 mm de O2O_{2}
  • d) C1=1,25 δC_{1}=1{,}25\ \delta ; C2=50 δC_{2}=50\ \delta
  • e) Non ; image finale virtuelle à distance finie, adaptée à l'œil myope

a) L'objectif est L1L_{1}, la lentille de GRANDE distance focale, tournée vers l'objet. C'est elle qui forme une première image de l'objet lointain ; l'oculaire L2L_{2}, de petite distance focale, sert de loupe pour observer cette image. Sur le schéma, la plus grande lentille est l'objectif : un grand diamètre collecte plus de lumière.

b) Un objet à l'infini donne une image dans le PLAN FOCAL IMAGE de la lentille : A1A_{1} est confondu avec F1F'_{1}, à 800 mm800\ \mathrm{mm} de O1O_{1}. On le justifie par la relation de conjugaison : avec O1A\overline{O_{1}A}\to -\infty, 1O1A1=1f1\dfrac{1}{\overline{O_{1}A_{1}}}=\dfrac{1}{f'_{1}}.

c) L'image intermédiaire est RÉELLE : les rayons y passent effectivement, on pourrait la recueillir sur un écran ou un capteur. Elle est RENVERSÉE, puisque le rayon issu de BB passant par O1O_{1} n'est pas dévié et traverse l'axe au centre optique. La lunette étant afocale, A1=F1=F2A_{1}=F'_{1}=F_{2} : l'image est à f2=20 mmf'_{2}=20\ \mathrm{mm} de O2O_{2}, dans le plan focal OBJET de l'oculaire.

d) C1=1f1=10,800=1,25 δC_{1}=\dfrac{1}{f'_{1}}=\dfrac{1}{0{,}800}=1{,}25\ \delta et C2=10,020=50 δC_{2}=\dfrac{1}{0{,}020}=50\ \delta. La distance focale doit être en MÈTRES pour obtenir des dioptries : écrire 1800\dfrac{1}{800} donnerait un nombre mille fois trop petit.

e) Non : F1F'_{1} et F2F_{2} ne sont plus confondus, le système n'est plus afocal. L'objet de l'oculaire, A1B1A_{1}B_{1}, est situé entre son foyer objet et son centre optique : l'oculaire fonctionne alors en loupe et donne une image finale VIRTUELLE, droite par rapport à A1B1A_{1}B_{1}, à distance finie. C'est exactement ce que cherche un œil myope, qui ne voit nettement que des objets proches : chaque observateur règle la mise au point pour sa propre vue.

Exercice 2 : Construire le faisceau émergent

La figure représente une lunette afocale, non à l'échelle, et un faisceau de trois rayons parallèles issus d'un point BB d'un objet à l'infini, situé au-dessus de l'axe. Le rayon du milieu passe par le centre optique O1O_{1} de l'objectif.

On cherche à compléter le trajet des trois rayons jusqu'à la sortie de l'oculaire.

L1L2F'1 = F2O1O2
  • a) Après l'objectif, où les trois rayons convergent-ils ?
  • b) Quel rayon permet de placer ce point, et pourquoi ?
  • c) Ce point étant dans le plan focal objet de l'oculaire, comment les rayons sortent-ils de l'oculaire ?
  • d) Quelle est la direction commune des rayons émergents ?
  • e) L'image finale observée est-elle droite ou renversée par rapport à l'objet ? L'angle des rayons émergents avec l'axe est-il plus grand ou plus petit que celui des rayons incidents ?

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a)
b)
c)
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Réponses

  • a) En B1B_{1}, dans le plan focal image de l'objectif
  • b) Le rayon passant par O1O_{1}, non dévié
  • c) Parallèles entre eux : image finale à l'infini
  • d) Parallèles à (B1O2)(B_{1}O_{2})
  • e) Renversée ; angle plus grand, G=0,450,15=3G=\dfrac{0{,}45}{0{,}15}=3

a) Des rayons parallèles entre eux convergent, après une lentille convergente, en un point du PLAN FOCAL IMAGE. Les trois rayons se croisent donc en un point B1B_{1} du plan focal image de l'objectif, au-dessous de l'axe, puisque le faisceau descend vers la droite.

b) Le rayon qui passe par le centre optique O1O_{1} n'est pas dévié : on le prolonge en ligne droite jusqu'au plan focal image, et son intersection avec ce plan donne B1B_{1}. Les deux autres rayons y sont ensuite tracés en rejoignant simplement B1B_{1}. C'est la seule construction qui ne demande aucun rayon auxiliaire.

c) Des rayons issus d'un même point du plan focal OBJET d'une lentille convergente en ressortent PARALLÈLES entre eux. Les trois rayons, qui divergent depuis B1B_{1}, sortent donc de l'oculaire en un faisceau parallèle : l'image finale est à l'infini, et l'œil la voit sans accommoder.

d) Pour trouver leur direction, on trace le rayon fictif issu de B1B_{1} qui passerait par O2O_{2} sans être dévié : tous les rayons émergents sont parallèles à la droite (B1O2)(B_{1}O_{2}). Sur la figure du corrigé, cette droite est en pointillés et les rayons émergents en rouge.

e) L'image est RENVERSÉE : le faisceau incident venait d'en haut à gauche, le faisceau émergent monte vers la droite, c'est-à-dire que l'œil reçoit la lumière d'un point qu'il voit sous l'axe. Et l'angle avec l'axe est PLUS GRAND : sur le schéma, la pente passe de 0,150{,}15 à 0,450{,}45, soit un grossissement G=3G=3, égal à f1f2=62\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}}=\dfrac{6}{2} dans les unités du dessin. Le renversement est sans importance en astronomie, mais il interdit l'usage terrestre d'une lunette sans système redresseur.

L1L2F'1 = F2B1O2

Exercice 3 : Établir l'expression du grossissement

Une lunette afocale a un objectif de distance focale f1=1200 mmf'_{1}=1200\ \mathrm{mm} et un oculaire de distance focale f2=30 mmf'_{2}=30\ \mathrm{mm}. On observe un objet ABAB à l'infini, vu à l'œil nu sous le diamètre apparent θ\theta ; on note θ\theta' l'angle sous lequel on voit son image à travers la lunette.

Les angles sont petits : on confond tanθ\tan\theta et θ\theta en radians.

  • a) Dans le triangle O1A1B1O_{1}A_{1}B_{1}, exprimez θ\theta en fonction de A1B1A_{1}B_{1} et de f1f'_{1}.
  • b) Dans le triangle O2A1B1O_{2}A_{1}B_{1}, exprimez θ\theta' en fonction de A1B1A_{1}B_{1} et de f2f'_{2}.
  • c) Déduisez-en l'expression du grossissement G=θθG=\dfrac{\theta'}{\theta}, puis sa valeur.
  • d) Jupiter est vue sous un diamètre apparent de 4545'' (secondes d'arc). Calculez la taille de son image intermédiaire, puis son diamètre apparent à travers la lunette, en degrés.
  • e) À l'œil nu, la Lune a un diamètre apparent de 0,520{,}52^{\circ}. Comparez avec Jupiter vue dans la lunette.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) θA1B1f1\theta\approx\dfrac{A_{1}B_{1}}{f'_{1}}
  • b) θA1B1f2\theta'\approx\dfrac{A_{1}B_{1}}{f'_{2}}
  • c) G=f1f2=40G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}}=40
  • d) A1B1=0,26A_{1}B_{1}=0{,}26 mm ; θ=0,50\theta'=0{,}50^{\circ}
  • e) À peu près le diamètre apparent de la Lune à l'œil nu

a) Le rayon issu de BB qui passe par O1O_{1} n'est pas dévié et fait l'angle θ\theta avec l'axe ; il aboutit en B1B_{1}, dans le plan focal image. Le triangle O1A1B1O_{1}A_{1}B_{1} est rectangle en A1A_{1}, avec O1A1=f1O_{1}A_{1}=f'_{1} : tanθ=A1B1f1\tan\theta=\dfrac{A_{1}B_{1}}{f'_{1}}, donc θA1B1f1\theta\approx\dfrac{A_{1}B_{1}}{f'_{1}}.

b) Le faisceau émergent est parallèle à (B1O2)(B_{1}O_{2}), qui fait l'angle θ\theta' avec l'axe. Dans le triangle O2A1B1O_{2}A_{1}B_{1}, rectangle en A1A_{1} avec O2A1=f2O_{2}A_{1}=f'_{2} : θA1B1f2\theta'\approx\dfrac{A_{1}B_{1}}{f'_{2}}. C'est le même segment A1B1A_{1}B_{1} dans les deux triangles, et c'est tout l'intérêt de la lunette afocale : l'image intermédiaire est commune aux deux lentilles.

c) G=θθ=A1B1/f2A1B1/f1=f1f2G=\dfrac{\theta'}{\theta}=\dfrac{A_{1}B_{1}/f'_{2}}{A_{1}B_{1}/f'_{1}}=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}}. Ici G=120030=40G=\dfrac{1200}{30}=40. Le grossissement est un nombre SANS UNITÉ : les deux distances focales doivent être dans la même unité, mais laquelle importe peu.

d) θ=45=453600=0,0125=2,18×104 rad\theta=45''=\dfrac{45}{3600}=0{,}0125^{\circ}=2{,}18\times 10^{-4}\ \mathrm{rad}. A1B1=f1θ=1200×2,18×104=0,26 mmA_{1}B_{1}=f'_{1}\,\theta=1200\times 2{,}18\times 10^{-4}=0{,}26\ \mathrm{mm} : l'angle doit être en RADIANS dans cette formule, qui vient d'une tangente. Puis θ=Gθ=40×0,0125=0,50\theta'=G\,\theta=40\times 0{,}0125=0{,}50^{\circ} : dans un rapport d'angles, les degrés conviennent.

e) Jupiter vue dans la lunette, 0,500{,}50^{\circ}, paraît à peu près aussi grande que la Lune à l'œil nu. La lunette ne rapproche pas Jupiter : elle multiplie par 4040 l'angle sous lequel on la voit, et c'est cet angle, pas la taille réelle, qui décide de ce que l'œil distingue.

Exercice 4 : Le cercle oculaire

Une lunette afocale a un objectif de distance focale f1=800 mmf'_{1}=800\ \mathrm{mm} et de diamètre D=80 mmD=80\ \mathrm{mm}, et un oculaire de distance focale f2=20 mmf'_{2}=20\ \mathrm{mm}. On appelle cercle oculaire l'image de la monture de l'objectif donnée par l'oculaire.

On rappelle la relation de conjugaison 1OA1OA=1f\dfrac{1}{\overline{OA'}}-\dfrac{1}{\overline{OA}}=\dfrac{1}{f'} et le grandissement γ=OAOA\gamma=\dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}.

  • a) Pourquoi l'observateur a-t-il intérêt à placer la pupille de son œil dans le cercle oculaire ?
  • b) Calculez la position du cercle oculaire, c'est-à-dire la distance O2A\overline{O_{2}A'}AA est le centre de l'objectif.
  • c) Calculez le grandissement de cette conjugaison, puis le diamètre dd du cercle oculaire.
  • d) Calculez le grossissement de la lunette et vérifiez que d=DGd=\dfrac{D}{G}.
  • e) De nuit, la pupille de l'œil s'ouvre à 6 mm6\ \mathrm{mm}. Toute la lumière collectée entre-t-elle dans l'œil ? Que devient dd avec un oculaire de 5 mm5\ \mathrm{mm} ?

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a)
b)
c)
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Réponses

  • a) Toute la lumière émergente y passe : œil au cercle oculaire
  • b) O2A=20,5\overline{O_{2}A'}=20{,}5 mm
  • c) γ=0,025\gamma=-0{,}025 ; d=2,0d=2{,}0 mm
  • d) G=40G=40 et DG=2,0\dfrac{D}{G}=2{,}0 mm =d=d
  • e) Oui (2,0<62{,}0<6 mm) ; d=0,50d=0{,}50 mm avec l'oculaire de 55 mm

a) Toute la lumière qui entre par l'objectif et traverse la lunette passe par l'image de la monture de l'objectif : le cercle oculaire est la section la plus étroite de tous les faisceaux émergents. Une pupille placée là reçoit la totalité de la lumière et voit tout le champ ; placée ailleurs, elle en perd une partie et le bord du champ s'assombrit.

b) L'objet est l'objectif lui-même, en O1O_{1} : O2A=(f1+f2)=820 mm\overline{O_{2}A}=-(f'_{1}+f'_{2})=-820\ \mathrm{mm}. 1O2A=120+1820=411820=40820\dfrac{1}{\overline{O_{2}A'}}=\dfrac{1}{20}+\dfrac{1}{-820}=\dfrac{41-1}{820}=\dfrac{40}{820}, donc O2A=20,5 mm\overline{O_{2}A'}=20{,}5\ \mathrm{mm}. Le cercle oculaire est juste après le foyer image de l'oculaire, à 0,5 mm0{,}5\ \mathrm{mm} de F2F'_{2} : c'est l'endroit où l'on pose l'œil, presque contre la lentille. Le signe moins de O2A\overline{O_{2}A} est le piège : l'objet est AVANT l'oculaire.

c) γ=20,5820=0,025\gamma=\dfrac{20{,}5}{-820}=-0{,}025 : image renversée et quarante fois plus petite. d=γ×D=0,025×80=2,0 mmd=|\gamma|\times D=0{,}025\times 80=2{,}0\ \mathrm{mm}. La figure du corrigé montre les rayons issus des bords MM et NN de l'objectif : ils se recoupent dans le plan du cercle oculaire, où MM et NN ont échangé leurs places.

d) G=80020=40G=\dfrac{800}{20}=40 et DG=8040=2,0 mm\dfrac{D}{G}=\dfrac{80}{40}=2{,}0\ \mathrm{mm} : on retrouve dd. La relation d=DGd=\dfrac{D}{G} donne une mesure expérimentale du grossissement sans aucun angle, en mesurant deux diamètres.

e) Oui : 2,0 mm2{,}0\ \mathrm{mm} est inférieur à 6 mm6\ \mathrm{mm}, le faisceau entre en entier dans la pupille. Avec f2=5 mmf'_{2}=5\ \mathrm{mm}, G=160G=160 et d=80160=0,50 mmd=\dfrac{80}{160}=0{,}50\ \mathrm{mm} : la lumière de l'objectif, étalée sur une image angulairement plus grande, passe par un trou minuscule, et l'image paraît sombre. C'est l'une des raisons pour lesquelles on ne pousse pas le grossissement indéfiniment.

MNL1L2cercleoculaire

Exercice 5 : Mesurer le grossissement d'une maquette de lunette

Sur un banc d'optique, on réalise une maquette de lunette avec deux lentilles convergentes de vergences C1=+5,0 δC_{1}=+5{,}0\ \delta et C2=+20 δC_{2}=+20\ \delta. Par la fenêtre, on vise un immeuble de 1,2 m1{,}2\ \mathrm{m} de haut situé à 30 m30\ \mathrm{m}.

L'objectif a une monture de diamètre D=3,0 cmD=3{,}0\ \mathrm{cm}. En éclairant l'objectif et en déplaçant un petit écran derrière l'oculaire, on obtient une tache lumineuse nette de diamètre minimal d=0,75 cmd=0{,}75\ \mathrm{cm}.

  • a) Calculez les distances focales des deux lentilles. Laquelle sert d'objectif ?
  • b) Quelle distance doit séparer les deux lentilles pour que la maquette soit afocale ? Quel est son grossissement théorique ?
  • c) Calculez le diamètre apparent de l'immeuble à l'œil nu, puis la hauteur de son image intermédiaire.
  • d) Calculez le diamètre apparent de l'image finale et retrouvez le grossissement.
  • e) Que représente la tache de diamètre minimal ? Déduisez-en une valeur expérimentale du grossissement.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) f1=20f'_{1}=20 cm (objectif) ; f2=5,0f'_{2}=5{,}0 cm
  • b) O1O2=25O_{1}O_{2}=25 cm ; G=4,0G=4{,}0
  • c) θ=0,040\theta=0{,}040 rad ; A1B1=0,80A_{1}B_{1}=0{,}80 cm
  • d) θ=0,16\theta'=0{,}16 rad ; G=4,0G=4{,}0
  • e) Cercle oculaire ; G=Dd=4,0G=\dfrac{D}{d}=4{,}0

a) f1=15,0=0,20 m=20 cmf'_{1}=\dfrac{1}{5{,}0}=0{,}20\ \mathrm{m}=20\ \mathrm{cm} et f2=120=0,050 m=5,0 cmf'_{2}=\dfrac{1}{20}=0{,}050\ \mathrm{m}=5{,}0\ \mathrm{cm}. L'objectif est la lentille de plus faible vergence, donc de plus grande distance focale, L1L_{1}.

b) Pour une maquette afocale, F1F'_{1} et F2F_{2} sont confondus : O1O2=f1+f2=25 cmO_{1}O_{2}=f'_{1}+f'_{2}=25\ \mathrm{cm}. Grossissement théorique G=205,0=4,0G=\dfrac{20}{5{,}0}=4{,}0, ou directement G=C2C1G=\dfrac{C_{2}}{C_{1}}, puisque les vergences sont les inverses des distances focales.

c) θ1,230=0,040 rad\theta\approx\dfrac{1{,}2}{30}=0{,}040\ \mathrm{rad}. L'immeuble est à 30 m30\ \mathrm{m}, soit 150150 fois la distance focale de l'objectif : on peut le considérer à l'infini. A1B1=f1θ=20×0,040=0,80 cmA_{1}B_{1}=f'_{1}\,\theta=20\times 0{,}040=0{,}80\ \mathrm{cm}.

d) θA1B1f2=0,805,0=0,16 rad\theta'\approx\dfrac{A_{1}B_{1}}{f'_{2}}=\dfrac{0{,}80}{5{,}0}=0{,}16\ \mathrm{rad}, et G=0,160,040=4,0G=\dfrac{0{,}16}{0{,}040}=4{,}0 : on retrouve la valeur théorique.

e) La tache de diamètre minimal est le CERCLE OCULAIRE, image de la monture de l'objectif par l'oculaire. Son diamètre vaut d=DGd=\dfrac{D}{G}, d'où G=Dd=3,00,75=4,0G=\dfrac{D}{d}=\dfrac{3{,}0}{0{,}75}=4{,}0. Cette méthode, qui remplace une mesure d'angle difficile par deux mesures de longueur, est celle qu'on utilise en travaux pratiques pour contrôler une lunette commerciale.

Partie B : problèmes et raisonnement (/50)

Exercice 6 : Problème : choisir un oculaire sur une fiche technique

Une lunette commerciale est vendue avec la fiche technique ci-dessous. Elle est fournie avec trois oculaires de distances focales 25 mm25\ \mathrm{mm}, 10 mm10\ \mathrm{mm} et 6 mm6\ \mathrm{mm}, et avec une lentille de Barlow qui, placée avant l'oculaire, double la distance focale effective de l'objectif.

La fiche indique aussi deux règles de fabricant : le grossissement maximal utile vaut environ deux fois le diamètre de l'objectif exprimé en millimètres, et le champ réellement observé vaut le champ apparent de l'oculaire divisé par le grossissement.

CaractéristiqueValeur
Diamètre de l'objectif102 mm
Distance focale de l'objectif1000 mm
Champ apparent des oculaires52°
  • a) Calculez le grossissement obtenu avec chacun des trois oculaires.
  • b) Quel grossissement obtient-on avec la lentille de Barlow et l'oculaire de 6 mm6\ \mathrm{mm} ? Dépasse-t-il le grossissement maximal utile ?
  • c) Avec l'oculaire de 25 mm25\ \mathrm{mm}, quel est le champ réellement observé ? La Lune, de diamètre apparent 0,520{,}52^{\circ}, y tient-elle en entier ?
  • d) Calculez le diamètre du cercle oculaire avec l'oculaire de 25 mm25\ \mathrm{mm}.
  • e) Quel oculaire choisir pour observer la galaxie d'Andromède, étendue sur environ 33^{\circ} du ciel et très peu lumineuse ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) G=40G=40, 100100 et 167167
  • b) G=333>204G=333>204 : au-delà du grossissement utile
  • c) Champ réel 1,31{,}3^{\circ} : la Lune tient en entier
  • d) d=10240=2,6d=\dfrac{102}{40}=2{,}6 mm
  • e) L'oculaire de 2525 mm, plus grand champ et image plus lumineuse

a) G=f1f2G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} avec f1=1000 mmf'_{1}=1000\ \mathrm{mm} : G25=100025=40G_{25}=\dfrac{1000}{25}=40, G10=100G_{10}=100 et G6=10006=167G_{6}=\dfrac{1000}{6}=167. Le plus PETIT oculaire donne le plus FORT grossissement : c'est l'inverse de ce que suggère l'intuition, et c'est la raison pour laquelle on lit la distance focale gravée sur l'oculaire avant tout.

b) Avec la lentille de Barlow, la distance focale effective vaut 2000 mm2000\ \mathrm{mm} et G=20006=333G=\dfrac{2000}{6}=333. Le grossissement maximal utile vaut 2×102=2042\times 102=204 : on le dépasse largement. L'image serait plus grande mais pas plus détaillée, seulement plus floue et plus sombre, car la finesse des détails est limitée par le diamètre de l'objectif, pas par l'oculaire.

c) Champ réel =5240=1,3=\dfrac{52^{\circ}}{40}=1{,}3^{\circ}. La Lune, 0,520{,}52^{\circ}, tient en entier avec une marge confortable : c'est l'oculaire qui convient pour la voir tout entière. Avec l'oculaire de 6 mm6\ \mathrm{mm}, le champ ne serait plus que de 0,310{,}31^{\circ}, et l'on n'en verrait qu'une partie.

d) d=DG=10240=2,6 mmd=\dfrac{D}{G}=\dfrac{102}{40}=2{,}6\ \mathrm{mm}, largement dans une pupille ouverte de nuit.

e) L'oculaire de 25 mm25\ \mathrm{mm}, le plus faible grossissement. Andromède s'étend sur 33^{\circ} : même ce champ de 1,31{,}3^{\circ} n'en montre que le cœur, et un grossissement plus fort réduirait encore le champ. Et pour un objet peu lumineux, un faible grossissement concentre la lumière sur une image angulairement plus petite, avec un cercle oculaire plus large : l'image est plus lumineuse.

Exercice 7 : Problème : les cratères lunaires que l'œil peut séparer

L'œil humain ne distingue deux points que s'ils sont vus sous un angle d'au moins 3,0×104 rad3{,}0\times 10^{-4}\ \mathrm{rad}, environ une minute d'arc. On observe la Lune, située à 384000 km384\,000\ \mathrm{km}, et un cratère de 5,0 km5{,}0\ \mathrm{km} de diamètre.

On dispose d'une lunette dont l'objectif a une distance focale de 700 mm700\ \mathrm{mm}, et de plusieurs oculaires.

  • a) Calculez le diamètre apparent du cratère vu depuis la Terre.
  • b) Ce cratère est-il visible à l'œil nu ?
  • c) Quel grossissement minimal faut-il pour le distinguer ?
  • d) Quelle distance focale maximale l'oculaire peut-il avoir ?
  • e) Avec un grossissement de 100100, quelle est la taille du plus petit cratère que l'œil pourrait distinguer, si seul l'œil limitait l'observation ?

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Réponses

  • a) θ=1,30×105\theta=1{,}30\times 10^{-5} rad
  • b) Non : θ<3,0×104\theta<3{,}0\times 10^{-4} rad
  • c) G23G\geq 23
  • d) f230f'_{2}\leq 30 mm
  • e) Cratère de 1,21{,}2 km

a) θ5,0384000=1,30×105 rad\theta\approx\dfrac{5{,}0}{384\,000}=1{,}30\times 10^{-5}\ \mathrm{rad}. Les deux longueurs sont en kilomètres, le rapport est sans unité : c'est un angle en radians. Écrire la distance en mètres et la taille en kilomètres fausserait le résultat d'un facteur mille.

b) Non : 1,30×105 rad1{,}30\times 10^{-5}\ \mathrm{rad} est vingt-trois fois plus petit que le pouvoir séparateur de l'œil. À l'œil nu, ce cratère se fond dans la surface grise de la Lune.

c) Il faut θ=Gθ3,0×104\theta'=G\,\theta\geq 3{,}0\times 10^{-4}, soit G3,0×1041,30×105=23G\geq\dfrac{3{,}0\times 10^{-4}}{1{,}30\times 10^{-5}}=23. Un grossissement de 2323 suffit en théorie ; en pratique on prend une marge, car un détail vu tout juste à la limite de l'œil n'est pas confortablement visible.

d) G=f1f223G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}}\geq 23 donne f270023=30 mmf'_{2}\leq\dfrac{700}{23}=30\ \mathrm{mm}. Le sens de l'inégalité est le point délicat : pour grossir PLUS, il faut un oculaire de distance focale PLUS PETITE.

e) Le plus petit angle distinguable à l'œil nu, 3,0×104 rad3{,}0\times 10^{-4}\ \mathrm{rad}, correspond dans le ciel à θ=3,0×104100=3,0×106 rad\theta=\dfrac{3{,}0\times 10^{-4}}{100}=3{,}0\times 10^{-6}\ \mathrm{rad}, soit un cratère de 3,0×106×384000=1,2 km3{,}0\times 10^{-6}\times 384\,000=1{,}2\ \mathrm{km}. En réalité, la diffraction par l'objectif et la turbulence de l'atmosphère fixent une limite qui peut être plus sévère que celle de l'œil : augmenter le grossissement ne fait alors plus apparaître de nouveaux détails.

Exercice 8 : Cinq affirmations à corriger

Chacune des cinq affirmations suivantes est FAUSSE. Dites pourquoi, puis donnez l'énoncé correct.

  • 1) « Une lunette astronomique fabrique une image de la Lune plus grande que la Lune elle-même. »
  • 2) « Dans une lunette afocale, le foyer image de l'objectif est confondu avec le foyer image de l'oculaire. »
  • 3) « Plus le diamètre de l'objectif est grand, plus le grossissement de la lunette est fort. »
  • 4) « L'image intermédiaire donnée par l'objectif est virtuelle, puisqu'on ne la voit pas. »
  • 5) « À la sortie d'une lunette afocale, les rayons issus d'un même point de l'objet convergent en un point devant l'œil. »

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  • 1) Faux : la lunette grossit le diamètre apparent, pas l'objet
  • 2) Faux : F1F'_{1} est confondu avec F2F_{2}, foyer objet de l'oculaire
  • 3) Faux : G=f1f2G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} ; DD fixe luminosité et détails
  • 4) Faux : l'image intermédiaire est réelle
  • 5) Faux : les rayons émergents sont parallèles

1) FAUX. L'image intermédiaire de la Lune mesure quelques millimètres, et l'image finale est à l'infini : parler de sa taille n'a pas de sens. La lunette augmente l'ANGLE sous lequel on voit la Lune, son diamètre apparent, d'un facteur GG.

2) FAUX. C'est le foyer image de l'objectif, F1F'_{1}, qui est confondu avec le foyer OBJET de l'oculaire, F2F_{2}. L'image intermédiaire se trouve ainsi dans le plan focal objet de l'oculaire, qui en donne une image à l'infini.

3) FAUX. Le grossissement G=f1f2G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} ne dépend que des distances focales. Le diamètre de l'objectif fixe la quantité de lumière collectée, proportionnelle à D2D^{2}, et la finesse des détails : un grand diamètre donne une image plus lumineuse et plus détaillée, pas plus grossie.

4) FAUX. L'image intermédiaire est RÉELLE : les rayons issus de chaque point de l'objet s'y croisent effectivement. Si l'on retire l'oculaire et qu'on place un écran ou un capteur dans le plan focal de l'objectif, elle s'y forme nettement ; c'est le principe de la photographie au foyer.

5) FAUX. Les rayons issus d'un même point de l'objet ressortent PARALLÈLES entre eux, puisque l'image finale est à l'infini. C'est le cristallin de l'œil, au repos, qui les fait converger sur la rétine.

Exercice 9 : Problème : photographier la Lune au foyer de l'objectif

Un astronome amateur retire l'oculaire de sa lunette, dont l'objectif a une distance focale f1=1000 mmf'_{1}=1000\ \mathrm{mm}, et place à la place le capteur d'un appareil photographique, un rectangle de 23,5 mm23{,}5\ \mathrm{mm} sur 15,6 mm15{,}6\ \mathrm{mm}.

La Lune a un diamètre apparent θ=0,52\theta=0{,}52^{\circ}. On assimile son mouvement apparent dans le ciel, dû à la rotation de la Terre, à celui des étoiles, soit 1515^{\circ} par heure.

  • a) Dans quel plan faut-il placer le capteur ?
  • b) Calculez le diamètre de l'image de la Lune sur le capteur.
  • c) On ajoute une lentille de Barlow qui double la distance focale effective. Quel est le nouveau diamètre de l'image ? Tient-elle en entier sur le capteur ?
  • d) Quelle distance focale maximale permet de photographier la Lune en entier ?
  • e) La lunette est fixe. Au bout de combien de temps l'image de la Lune s'est-elle déplacée de son propre diamètre sur le capteur ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) Plan focal image de l'objectif
  • b) f1θ=9,1f'_{1}\,\theta=9{,}1 mm
  • c) 18,218{,}2 mm >15,6>15{,}6 mm : ne tient pas en entier
  • d) f1,72×103f\leq 1{,}72\times 10^{3} mm
  • e) t=0,5215t=\dfrac{0{,}52}{15} h =125=125 s

a) Dans le PLAN FOCAL IMAGE de l'objectif : un objet à l'infini y forme une image réelle et nette. C'est l'image intermédiaire de la lunette, qu'on enregistre au lieu de l'observer à l'oculaire.

b) θ=0,52×π180=9,08×103 rad\theta=0{,}52\times\dfrac{\pi}{180}=9{,}08\times 10^{-3}\ \mathrm{rad}, et le diamètre de l'image vaut f1θ=1000×9,08×103=9,1 mmf'_{1}\,\theta=1000\times 9{,}08\times 10^{-3}=9{,}1\ \mathrm{mm}. L'angle doit être en radians : avec 0,520{,}52 en degrés, on trouverait 520 mm520\ \mathrm{mm}, plus grand que l'appareil.

c) Le diamètre est proportionnel à la distance focale : 2000×9,08×103=18,2 mm2000\times 9{,}08\times 10^{-3}=18{,}2\ \mathrm{mm}. C'est plus que la petite dimension du capteur, 15,6 mm15{,}6\ \mathrm{mm} : la Lune ne tient plus en entier, ses bords haut et bas sont coupés, comme le montre la figure du corrigé.

d) Il faut fθ15,6 mmf\,\theta\leq 15{,}6\ \mathrm{mm}, soit f15,69,08×103=1,72×103 mmf\leq\dfrac{15{,}6}{9{,}08\times 10^{-3}}=1{,}72\times 10^{3}\ \mathrm{mm}, environ 1,7 m1{,}7\ \mathrm{m}. Au-delà, on photographie des régions de la Lune et non la Lune entière.

e) La Lune doit parcourir un angle égal à son diamètre apparent : t=0,5215/h=0,0347 h=125 st=\dfrac{0{,}52^{\circ}}{15^{\circ}/\mathrm{h}}=0{,}0347\ \mathrm{h}=125\ \mathrm{s}, environ deux minutes. Un angle parcouru dans le ciel se retrouve à l'identique en diamètres apparents, donc en diamètres d'image : sans monture motorisée, la pose doit rester très courte devant cette durée pour que l'image ne soit pas floue.

capteur 23,5 × 15,6 mmf = 1000 mmf = 2000 mm

Exercice 10 : Problème : une grande lunette d'observatoire

Les grandes lunettes du XIXe siècle, comme celle de l'observatoire de Meudon, ont des objectifs de près d'un mètre de diamètre. On étudie une lunette de ce type, d'objectif de diamètre D=83 cmD=83\ \mathrm{cm} et de distance focale f1=16,2 mf'_{1}=16{,}2\ \mathrm{m}, utilisée avec un oculaire de 40 mm40\ \mathrm{mm}.

L'anneau de Saturne est vu depuis la Terre sous un diamètre apparent d'environ 4444''. La pupille de l'œil ouverte de nuit a un diamètre de 6,0 mm6{,}0\ \mathrm{mm}.

  • a) Quelle est la longueur de la lunette réglée pour être afocale ?
  • b) Calculez son grossissement.
  • c) Sous quel diamètre apparent, en degrés, voit-on l'anneau de Saturne dans la lunette ?
  • d) Calculez le diamètre du cercle oculaire.
  • e) Combien de fois plus de lumière l'objectif collecte-t-il que la pupille de l'œil nu ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) 16,2416{,}24 m
  • b) G=405G=405
  • c) θ=4,95\theta'=4{,}95^{\circ}
  • d) d=2,05d=2{,}05 mm
  • e) (8306,0)2=1,9×104\left(\dfrac{830}{6{,}0}\right)^{2}=1{,}9\times 10^{4}

a) L=f1+f2=16,2+0,040=16,24 mL=f'_{1}+f'_{2}=16{,}2+0{,}040=16{,}24\ \mathrm{m}. On additionne des distances dans la même unité : l'oculaire ne pèse presque rien dans la longueur, qui est fixée par l'objectif. D'où les coupoles immenses de ces instruments.

b) G=1620040=405G=\dfrac{16\,200}{40}=405. Avec un oculaire de 40 mm40\ \mathrm{mm}, qui donnerait G=25G=25 sur une lunette d'amateur de 1 m1\ \mathrm{m} de focale, la grande focale de l'objectif suffit à obtenir un fort grossissement.

c) θ=Gθ=405×443600=4,95\theta'=G\,\theta=405\times\dfrac{44}{3600}=4{,}95^{\circ}, soit presque dix fois le diamètre apparent de la Lune à l'œil nu. Le rapport d'angles permet de rester en degrés, sans conversion en radians.

d) d=DG=830405=2,05 mmd=\dfrac{D}{G}=\dfrac{830}{405}=2{,}05\ \mathrm{mm}, qui entre en entier dans la pupille de 6,0 mm6{,}0\ \mathrm{mm} : toute la lumière collectée atteint l'œil.

e) La lumière collectée est proportionnelle à la SURFACE de l'ouverture, donc au carré du diamètre : (8306,0)2=1,9×104\left(\dfrac{830}{6{,}0}\right)^{2}=1{,}9\times 10^{4}. L'objectif collecte près de vingt mille fois plus de lumière que l'œil nu : c'est cette capacité, bien plus que le grossissement, qui justifiait de tels diamètres. Ne pas oublier le carré : le rapport des diamètres, 138138, sous-estime le gain d'un facteur 138138.

Partie C : les classiques (/50)

Exercice 11 : La mise au point sur un objet proche

L'objectif d'une lunette a une distance focale f1=50,0 cmf'_{1}=50{,}0\ \mathrm{cm}. On l'utilise d'abord pour observer un clocher de 30 m30\ \mathrm{m} de haut situé à 500 m500\ \mathrm{m}, puis un panneau situé à 5,0 m5{,}0\ \mathrm{m}.

Relation de conjugaison : 1OA1OA=1f\dfrac{1}{\overline{OA'}}-\dfrac{1}{\overline{OA}}=\dfrac{1}{f'} ; grandissement γ=OAOA\gamma=\dfrac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}.

  • a) Calculez la distance O1A1\overline{O_{1}A_{1}} de l'image du clocher, au centième de centimètre.
  • b) De quel pourcentage cette distance diffère-t-elle de f1f'_{1} ?
  • c) Calculez la hauteur de l'image intermédiaire du clocher.
  • d) Où se forme l'image du panneau ? De combien faut-il reculer l'oculaire par rapport au réglage sur le clocher ?
  • e) À partir de quand peut-on considérer un objet comme étant à l'infini pour cette lunette ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) O1A1=50,05\overline{O_{1}A_{1}}=50{,}05 cm
  • b) 0,1 %0{,}1\ \%
  • c) A1B1=3,0A_{1}B_{1}=3{,}0 cm, renversée
  • d) 55,655{,}6 cm ; recul de 5,55{,}5 cm
  • e) Distance très grande devant f1f'_{1}

a) O1A=500 m\overline{O_{1}A}=-500\ \mathrm{m} et f1=0,500 mf'_{1}=0{,}500\ \mathrm{m} : 1O1A1=10,500+1500=20,002=1,998\dfrac{1}{\overline{O_{1}A_{1}}}=\dfrac{1}{0{,}500}+\dfrac{1}{-500}=2-0{,}002=1{,}998, donc O1A1=0,5005 m=50,05 cm\overline{O_{1}A_{1}}=0{,}5005\ \mathrm{m}=50{,}05\ \mathrm{cm}. Le signe moins de O1A\overline{O_{1}A} est indispensable : l'objet est avant la lentille.

b) 50,0550,0050,00=0,1 %\dfrac{50{,}05-50{,}00}{50{,}00}=0{,}1\ \%. L'image est pratiquement dans le plan focal image, et l'approximation « objet à l'infini » est excellente.

c) γ=0,5005500=1,0×103\gamma=\dfrac{0{,}5005}{-500}=-1{,}0\times 10^{-3}, donc A1B1=γ×30=3,0×102 m=3,0 cmA_{1}B_{1}=|\gamma|\times 30=3{,}0\times 10^{-2}\ \mathrm{m}=3{,}0\ \mathrm{cm}, image renversée. On retrouve le résultat de l'approximation des petits angles, f1θ=0,50×30500=3,0 cmf'_{1}\,\theta=0{,}50\times\dfrac{30}{500}=3{,}0\ \mathrm{cm}.

d) 1O1A1=10,50015,0=20,2=1,8\dfrac{1}{\overline{O_{1}A_{1}}}=\dfrac{1}{0{,}500}-\dfrac{1}{5{,}0}=2-0{,}2=1{,}8, soit O1A1=0,556 m=55,6 cm\overline{O_{1}A_{1}}=0{,}556\ \mathrm{m}=55{,}6\ \mathrm{cm}. L'image s'est éloignée de l'objectif de 55,650,05=5,5 cm55{,}6-50{,}05=5{,}5\ \mathrm{cm} : l'oculaire doit reculer d'autant pour que l'image intermédiaire reste dans son plan focal objet. C'est le rôle de la crémaillère de mise au point.

e) Quand la distance de l'objet est très grande devant f1f'_{1} : à 500 m500\ \mathrm{m}, soit mille distances focales, l'écart est de 0,1 %0{,}1\ \% ; à 5 m5\ \mathrm{m}, dix distances focales seulement, il atteint 11 %11\ \%. Pour les astres, à des millions de kilomètres, l'approximation est parfaite.

Exercice 12 : Les jumelles 8 × 42

Des jumelles portent l'inscription « 8 × 42 » : grossissement 88, diamètre des objectifs 42 mm42\ \mathrm{mm}. Chaque moitié se modélise comme une lunette afocale, des prismes redressant l'image sans changer le grossissement. Les objectifs ont une distance focale de 160 mm160\ \mathrm{mm} et le champ réel indiqué vaut 7,07{,}0^{\circ}.

  • a) Quelle est la distance focale des oculaires ?
  • b) Calculez le diamètre du cercle oculaire, que les fabricants appellent pupille de sortie.
  • c) Sous quel angle, appelé champ apparent, voit-on le champ de 7,07{,}0^{\circ} dans les jumelles ?
  • d) De nuit, la pupille d'un jeune observateur s'ouvre à 7 mm7\ \mathrm{mm}, celle d'une personne âgée à 5 mm5\ \mathrm{mm}. La pupille de sortie est-elle adaptée à l'observation nocturne pour les deux ?
  • e) Des jumelles compactes « 10 × 25 » ont quelle pupille de sortie ? Conviennent-elles pour la nuit ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) f2=20f'_{2}=20 mm
  • b) d=428=5,25d=\dfrac{42}{8}=5{,}25 mm
  • c) 8×7,0=568\times 7{,}0=56^{\circ}
  • d) Jeune : toute la lumière ; âgé : petite perte (5,25>55{,}25>5 mm)
  • e) 2,52{,}5 mm : non adaptées à la nuit

a) G=f1f2G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} donne f2=1608=20 mmf'_{2}=\dfrac{160}{8}=20\ \mathrm{mm}.

b) d=DG=428=5,25 mmd=\dfrac{D}{G}=\dfrac{42}{8}=5{,}25\ \mathrm{mm}. Ce nombre est le plus utile de la fiche technique : c'est le diamètre du faisceau lumineux qui arrive à l'œil.

c) Le grossissement multiplie les angles : champ apparent =8×7,0=56=8\times 7{,}0=56^{\circ}. On voit donc à travers les jumelles un disque de 5656^{\circ}, qui contient ce que l'œil nu verrait dans un cône de 77^{\circ}.

d) Pour le jeune observateur, 5,25 mm<7 mm5{,}25\ \mathrm{mm}<7\ \mathrm{mm} : toute la lumière entre dans l'œil. Pour la personne âgée, 5,25 mm5{,}25\ \mathrm{mm} dépasse légèrement 5 mm5\ \mathrm{mm} : une petite partie du faisceau est perdue sur l'iris, sans conséquence grave. Des 8 × 42 conviennent donc aux deux, avec un léger gaspillage pour le second.

e) d=2510=2,5 mmd=\dfrac{25}{10}=2{,}5\ \mathrm{mm} : de nuit, la pupille ouverte à 55 à 7 mm7\ \mathrm{mm} n'est remplie que par un faisceau de 2,5 mm2{,}5\ \mathrm{mm}, et l'image paraît sombre. Ces jumelles conviennent au plein jour, où la pupille se ferme à 22 ou 3 mm3\ \mathrm{mm}, pas à l'observation du ciel.

Exercice 13 : Jusqu'où vaut l'approximation des petits angles ?

La démonstration de G=f1f2G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} remplace tanθ\tan\theta par θ\theta exprimé en radians. On cherche l'erreur relative commise, tanθθθ\dfrac{\tan\theta-\theta}{\theta}, pour différents angles.

  • a) Convertissez en radians le diamètre apparent de la Lune, 0,520{,}52^{\circ}.
  • b) Calculez l'erreur relative commise pour cet angle, en pourcentage.
  • c) Même calcul pour un angle de 1010^{\circ}.
  • d) Même calcul pour 3030^{\circ}, demi-champ apparent d'un oculaire moderne à grand champ.
  • e) Pour quels angles la relation G=f1f2G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} est-elle donc fiable ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) 9,08×1039{,}08\times 10^{-3} rad
  • b) 0,0027 %0{,}0027\ \%
  • c) 1,0 %1{,}0\ \%
  • d) 10 %10\ \%
  • e) Pour quelques degrés au plus, en radians

a) θ=0,52×π180=9,08×103 rad\theta=0{,}52\times\dfrac{\pi}{180}=9{,}08\times 10^{-3}\ \mathrm{rad}.

b) tan(9,076×103)=9,0762×103\tan(9{,}076\times 10^{-3})=9{,}076\,2\times 10^{-3} : l'erreur relative vaut 2,7×1052{,}7\times 10^{-5}, soit 0,0027 %0{,}0027\ \%. Totalement négligeable : pour un astre, l'approximation est exacte en pratique.

c) θ=0,1745 rad\theta=0{,}1745\ \mathrm{rad} et tanθ=0,1763\tan\theta=0{,}1763 : erreur de 1,0 %1{,}0\ \%. Encore acceptable pour un calcul de grossissement, dont les données sont rarement connues à mieux que un pour cent.

d) θ=0,5236 rad\theta=0{,}5236\ \mathrm{rad} et tanθ=0,5774\tan\theta=0{,}5774 : erreur de 10 %10\ \%. Au bord du champ d'un oculaire à grand champ, l'image n'est donc plus grossie exactement de GG ; les opticiens corrigent cette distorsion par la conception des lentilles.

e) Tant que les angles restent de l'ordre de quelques degrés, l'erreur reste sous un pour cent. C'est le cas du diamètre apparent de tous les astres, et c'est pourquoi on n'applique l'approximation qu'à θ\theta et à θ\theta' près de l'axe, en radians, jamais en degrés.

Exercice 14 : Problème : l'échelle d'image d'un astrophotographe

Une caméra astronomique, dont les pixels sont des carrés de 4,0 μm4{,}0\ \mathrm{\mu m} de côté, est placée au foyer d'un objectif de distance focale 800 mm800\ \mathrm{mm}. On rappelle que 1=36001^{\circ}=3600''.

La planète Jupiter a un diamètre apparent de 4545''.

  • a) Quel angle du ciel couvre un pixel, en radians ?
  • b) Convertissez cet angle en secondes d'arc.
  • c) Combien de pixels le diamètre de l'image de Jupiter occupe-t-il ?
  • d) Quelle distance focale faudrait-il pour que Jupiter occupe 200200 pixels ?
  • e) La turbulence de l'atmosphère étale chaque étoile sur environ 22''. Avec l'objectif de 800 mm800\ \mathrm{mm}, un pixel plus petit améliorerait-il beaucoup la finesse des images ?

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) α=pf=5,0×106\alpha=\dfrac{p}{f}=5{,}0\times 10^{-6} rad
  • b) 1,031{,}03''
  • c) 4444 pixels
  • d) f3,7f\approx 3{,}7 m
  • e) Non : la turbulence (22'') limite, pas le pixel

a) Un pixel de largeur pp dans le plan focal correspond à l'angle α=pf=4,0×1060,800=5,0×106 rad\alpha=\dfrac{p}{f}=\dfrac{4{,}0\times 10^{-6}}{0{,}800}=5{,}0\times 10^{-6}\ \mathrm{rad}. C'est la relation A1B1=f1θA_{1}B_{1}=f'_{1}\,\theta lue à l'envers.

b) 5,0×106 rad×180π×3600=1,035{,}0\times 10^{-6}\ \mathrm{rad}\times\dfrac{180}{\pi}\times 3600=1{,}03'' : environ une seconde d'arc par pixel.

c) 451,03=44\dfrac{45}{1{,}03}=44 pixels. Une image de Jupiter de 4444 pixels montre les bandes nuageuses principales, mais peu de détails.

d) Le nombre de pixels est proportionnel à la distance focale : f=800×20043,6=3,7×103 mmf=800\times\dfrac{200}{43{,}6}=3{,}7\times 10^{3}\ \mathrm{mm}, environ 3,7 m3{,}7\ \mathrm{m}. Les planétaires utilisent pour cela des lentilles de Barlow qui multiplient la focale.

e) Non. La turbulence étale les détails sur 22'', soit déjà deux pixels : réduire les pixels découperait plus finement une image floue sans révéler de détails nouveaux. Au-delà d'environ deux pixels par tache, c'est l'atmosphère, et non le capteur, qui limite la finesse.

Exercice 15 : Problème : concevoir une lunette avec une boîte de lentilles

Un club d'astronomie dispose de quatre lentilles convergentes de vergences +2,0 δ+2{,}0\ \delta, +4,0 δ+4{,}0\ \delta, +10 δ+10\ \delta et +20 δ+20\ \delta, toutes de diamètre 4,0 cm4{,}0\ \mathrm{cm}. Il veut construire une lunette afocale avec deux d'entre elles.

Pour qu'elle tienne dans une valise, la lunette ne doit pas dépasser 40 cm40\ \mathrm{cm} de long.

  • a) Calculez les distances focales des quatre lentilles.
  • b) Sans contrainte de longueur, quel couple donne le plus fort grossissement ? Quelle est alors la longueur de la lunette ?
  • c) Avec la contrainte de 40 cm40\ \mathrm{cm}, quel grossissement maximal peut-on atteindre, et avec quel couple ?
  • d) Calculez le diamètre du cercle oculaire de cette lunette.
  • e) Un élève propose l'objectif +20 δ+20\ \delta et l'oculaire +2,0 δ+2{,}0\ \delta. Que vaut le grossissement ?

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Réponses

  • a) 5050 ; 2525 ; 1010 ; 5,05{,}0 cm
  • b) G=10G=10 pour 5555 cm
  • c) G=5,0G=5{,}0 avec +4,0 δ+4{,}0\ \delta et +20 δ+20\ \delta (3030 cm)
  • d) d=8,0d=8{,}0 mm
  • e) G=0,10G=0{,}10 : lunette retournée

a) f=1Cf'=\dfrac{1}{C} : 50 cm50\ \mathrm{cm}, 25 cm25\ \mathrm{cm}, 10 cm10\ \mathrm{cm} et 5,0 cm5{,}0\ \mathrm{cm}.

b) Le grossissement f1f2\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}} est maximal avec la plus grande focale en objectif et la plus petite en oculaire : G=505,0=10G=\dfrac{50}{5{,}0}=10, pour une longueur 50+5,0=55 cm50+5{,}0=55\ \mathrm{cm}, trop longue pour la valise.

c) On passe les couples en revue avec f1>f2f'_{1}>f'_{2} et f1+f240 cmf'_{1}+f'_{2}\leq 40\ \mathrm{cm} : (25;5,0)(25\,;5{,}0) donne G=5,0G=5{,}0 pour 30 cm30\ \mathrm{cm} ; (25;10)(25\,;10) donne 2,52{,}5 pour 35 cm35\ \mathrm{cm} ; (10;5,0)(10\,;5{,}0) donne 2,02{,}0 pour 15 cm15\ \mathrm{cm}. Tous les couples avec l'objectif de 50 cm50\ \mathrm{cm} dépassent 40 cm40\ \mathrm{cm}. Le maximum est G=5,0G=5{,}0, avec l'objectif +4,0 δ+4{,}0\ \delta et l'oculaire +20 δ+20\ \delta.

d) d=DG=4,05,0=0,80 cm=8,0 mmd=\dfrac{D}{G}=\dfrac{4{,}0}{5{,}0}=0{,}80\ \mathrm{cm}=8{,}0\ \mathrm{mm}. C'est plus que la pupille de l'œil, même ouverte de nuit : une partie de la lumière collectée est perdue, ce qui n'a rien de grave pour observer la Lune.

e) G=f1f2=5,050=0,10G=\dfrac{f'_{1}}{f'_{2}}=\dfrac{5{,}0}{50}=0{,}10 : la « lunette » rapetisse les angles dix fois. C'est une lunette retournée, comme lorsqu'on regarde dans des jumelles par le mauvais bout. L'objectif doit toujours être la lentille de plus grande distance focale.

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