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Lunette et instruments d'optique
Sujet Bac Corrigé - Microscope classique et confocal - Bac S Métropole rattrapage 2006 (ancien programme) - Ex 2 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2006
Bac S (ancien programme)
L'exercice 2 du bac S Métropole rattrapage 2006 (spécialité, 4 points, environ 52 min) compare le microscope classique et le microscope confocal, capable de reconstruire une image en trois dimensions.
- Construire l'image intermédiaire donnée par l'objectif et placer les foyers de l'oculaire.
- Établir le grandissement γ1 = −Δ/f'1 et interpréter l'inscription « ×40 ».
- Tracer des faisceaux lumineux et comprendre le rôle du diaphragme.
- Expliquer le balayage de l'échantillon selon les trois axes.
Sujet officiel et corrigé détaillé gratuits en PDF, avec les constructions complétées et les pièges à éviter.
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Du microscope classique au microscope confocal
L'exercice 2 du bac S Métropole rattrapage 2006 est l'exercice de spécialité, noté sur 4 points (environ 52 min conseillées), sans calculatrice. Il s'appuie sur un instrument de laboratoire bien réel : le microscope confocal, qui permet d'obtenir l'image d'un plan situé à l'intérieur d'un échantillon transparent. Deux parties indépendantes se suivent : l'étude d'un microscope optique classique, puis le principe du confocal, avec des constructions graphiques à rendre sur l'annexe.
Partie 1 : le microscope optique classique
Image intermédiaire et relation de conjugaison
On construit l'image A1B1 de l'objet AB par l'objectif avec deux rayons : celui qui arrive parallèlement à l'axe et ressort en passant par F'1, et celui qui passe par le centre optique sans être dévié. L'image obtenue est réelle, renversée et plus grande que l'objet. La relation de Descartes 1/OA1 − 1/OA = 1/f'1 s'écrit avec des grandeurs algébriques : c'est le premier piège, car la position de l'objet est négative.
Rôle de l'oculaire
L'image intermédiaire sert d'objet pour l'oculaire, qui agit comme une loupe. Pour une observation sans accommodation, l'image définitive doit être à l'infini : A1 doit donc se trouver dans le plan focal objet de l'oculaire, confondu avec F2. On place ensuite F'2 symétriquement par rapport au centre optique O2, sans inverser les deux foyers.
Grandissement de l'objectif
Le théorème de Thalès dans les triangles formés par le rayon passant par F'1 conduit à γ1 = −Δ/f'1. Le signe moins traduit le renversement de l'image. Avec Δ = 180 mm et f'1 = 4,5 mm, on obtient γ1 = −40 : l'inscription « ×40 » portée sur l'objectif est la valeur absolue du grandissement. Sans calculatrice, il suffit de multiplier numérateur et dénominateur par 2.
Partie 2 : le principe du confocal
Faisceaux issus de B et de D
Un capteur CCD remplace l'oculaire et un diaphragme très petit est centré sur l'axe. On construit d'abord l'image B1 d'un point B hors de l'axe : elle se forme dans le plan du capteur, à côté de l'ouverture, et sa lumière est arrêtée. Pour un point D plus éloigné de la lentille, l'image D1 se forme avant le diaphragme et le faisceau s'élargit ensuite : là encore, presque toute la lumière est bloquée. Seul le point A, dont l'image tombe au centre de l'ouverture, est réellement détecté. Le diaphragme trie donc les points latéralement et en profondeur.
Le balayage de l'échantillon
Pour détecter le point B, il faut amener B sur l'axe. Comme l'image est renversée, l'objet se déplace dans le sens de y vers y', parallèlement à son plan. Pour le point D, il faut en plus un déplacement selon l'axe z'z, vers z, afin que D vienne dans le plan dont l'image est nette sur le diaphragme. En balayant plusieurs profondeurs, on obtient des coupes successives puis une image en trois dimensions.
Conseils
Tracez les rayons particuliers avant les rayons qui passent par les bords de la lentille, gardez les conventions algébriques et pensez toujours au renversement de l'image pour choisir le sens d'un déplacement.