Sciences et vision du monde: Voir l’invisible à l’œil nu, le microscope optique - Comment fonctionne un microscope optique ? (un peu d’optique géométrique) -Comment calculer l'agrandissement obtenu? -Comment utiliser une échelle graphique ? Le microscope est l'instrument par excellence du sientifique biologique. Il est normal que je vous le présente de façon plus détaillée En particulier que j'explique comment cel fonctionne en vous faisant faire quelques calculs et constructions géomètriques.

Introduction Définition : Un microscope est un instrument permettant d'obtenir une image agrandie d'un objet proche de petites dimensions . Le microscope est l'instrument qu'on utilise en sciences pour des choses qui sont trop petites pour pouvoir les voir à l'oeil nu. Après ce début d' introduction, ou j'ai posé les questions que j'allais traiter, je vais lire une définition du microscope proposée par Wikipedia A retenir : rend visible des détails invisibles à l'oeil nu c'est à dire de moins de 1/10e de mm et la Limite de résolution à 0,2µm

Annonce du plan : Variété et unité des modèles actuels Historique du microscope optique Principe en optique géométrique Grandissement et grossissement Echelle pour poursuivre l'introduction, Je vais ensuite d'abord évoquer différents modèles actuels puis je ferai un bref historique avant d'entrer dans le vif du sujet : comment fonctionne un microscope Qu'est ce que le grossissement ? Quelle différence avec le grandissement ? Et on finira avec quelques calculs autour de la notion d'échelle.

Modèle de TP Modèle de recherche Commençons par passer en revue quelques modèles actuels : A gauche le microscope que vous utilisez au lycée au quasi A droite un modèle plus sophistiqué, mais avec les mêmes parties à me nommer ! statif platine objectif oculaire condenseur

modèle sophistiqué de recherche Microscope inversé un modèle avec une forme pour vous étonnerqui évoque une machine à coudre ! C'est en fait un modèle de recherche sophistiqué A droite un modèle inversé pour observer des cultures en boite de pétri. modèle sophistiqué de recherche Microscope inversé

Ce microscope inversé est plus sophistiqué. Il est accompagné de micromanipulateurs on voit que l'on peut travailler aux oculaires, mais aussi avec une image sur écran Le microscope n'est un élément dans une chaîne d'outils avec souvent une partie photographique. Mais tous ces microscopes ont en commun la même organisation optique qui résulte de siècles d'évolution

Microscope simple = forte loupe Le précurseur : Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723) Microscope simple = forte loupe Historiquement, le microscope a d'abord été une simple loupe qui si on y réfléchit répond à la définition ! on attribue l'invention de cet outils à un drapier hollandais, Leuvenhooek qui l'a utilisé pour mettre en évidence divers animalcules, les globules rouges et les spermatozoïdes.

Microscope composé : invention par Jansen ou Galilée fin XVIIe... Mais le microscope simple est une impasse technologique comme la pierre taillée a été remplacée par la pierre polie, il devait être remplacé par le microscope composé. L'invention de ce dernier remonte au XVIIe siècle et est assez incertaine. Vers 1610, Gallilée serait un des premiers concepteurs mais c'est aussi attribué à un opticien hollandais du nom de Jansqeen Ce n'est qu'au XIXe que les progrès de l'optique vont permettre la réalisation de microscopes composés convenables. Cela donnera lieu aux recherches de Pasteur par exemple... Modèle XVIIIe Modèle XIXe

1906 : prix nobel de Ramon y Cajal pour la découverte On peut donner un autre exemple d'usage du microscope au début du XXe siècle avec les travaux de Ramon y Cajal Cela montre que des instruments simples ont permis de faire du bon travail dès le XIXe (pensez aux travaux de Pasteur! ) 1906 : prix nobel de Ramon y Cajal pour la découverte du neurone avec son microscope...

Un microsccope utilisé par un célèbre botaniste et spécialiste des maladies des plantes : Viennot Bourgin peu de différences extérieures sur ce modèle par rapport au précédant surtout éclairage interne Mais au XXe siècle des progrès sont encore faits comme le contraste de phase puis le contraste interférenciel Milieu du XXe, G. Viennot-Bourgin 1906-1986 spécialiste des micromycètes

Matériel de recherche des années 2000, Olympus BX53 actuellement l'évolution a porté sur la visualisation devenue numérique de plus en plus souvent Il y a eu un changement on est passée d'optiques dites à longueur de tube finie à des optiques « à l'infini ». Mais le microscope reste optique Il n'est pas électronique pour autant c'est une autre histoire ! utile pour de plus forts grandissements et plus de détails, mais moins facilement utilisable sur le vivant... Matériel de recherche des années 2000, Olympus BX53

3e partie: principe optique La lentille convexe et la loupe Le microscope optique repose sur l'usage de lentilles ety il faut partir du fonctionnement de lentilles convexes comme une loupe que l'on peut tester Faire manipuler les élèves avec les loupes sur pied du labo et les loupes à main fortes. Manipulation

La loupe : image virtuelle agrandie - Objet placé à une distance inférieure à la distance focale L'oeil forme à travers la loupe une image virtuelle agrandie de l'objet... Il faut placer l’objet à une distance plus faible que la distance focale de la loupe. On peut regarder à grande distance de la loupe Mais aussi la loupe près de l’œil pour augmenter le champ et le grossissement Les loupes puissantes ont une plus courte focale. La loupe correspond au principe du microscope simple de Leuwenhoek Mais quel est le principe du microscope composé? -2 positions utiles soit proche œil, soit proche sujet

Manipulations au banc optique Voir effet d’une lentille sur sujet éloigné presque à l’infini (fenètre à 2m! ) image inversée réduite, nette à la distance focale, d’autant plus grande que la focale est élevée Montrer que à 2 fois la focale de chaque coté l’image a la taille de l’objet. Montrer que si la distance à l’objet diminue, on augmente le grandissement En plaçant une 2e lentille, à une distance de la première image supérieure à sa focale, on produit une image réelle de même sens et agrandie. 5) Si on réduit la distance de la 2e lentille à l’image et si on place son œil derrière, on voit une image virtuelle de même sens et agrandie. (problème aveuglement en regardant la source! Mis un calque sur la source) Bilan manip: Le microscope fonctionne comme 2 loupes combinées : une première l'objectif donne une image réelle de l'objet une 2e l'oculaire donne une image virtuelle de l'image primaire Principe du microscope composé

2 schémas optiques du microscope composé à droite très simple et encore théorique à gauche, en surimpression du dessin mécanique Le mème principe disposé sur un microscope et plus à l'échelle

4 e partie : Grandissement et grossissement Il est facile de savoir de combien une image est agrandie par rapport à l'objet pour une image réelle sur un écran ou le capteur d'un appareil photographique. Le rapport des2 tailles est ce que l'on appelle le grandissement noter grandissement = taille image / taille objett. Microscope photographique et grandissement Pour le cliché d'un petit objet, on peut employer la notion de "grandissement" car il y une relation entre les dimensions de l'objet et celles de son image ; le grandissement est le rapport entre ces deux dimensions).

Le grandissement sur le capteur n'est pas celui à l'écran ! Le grandissement à l'écran dépend de la taille de l'écran et de la taille de ses photosites A l'oculaire, il faut parler de grossissement !

le grossissement : une affaire d'angles. En observation visuelle, on ne peut pas mesurer la taille de l'image finale sur la rétine. On raisonne alors en angles et en grossissements. Admettons que la dimension angulaire d'un objet est définie par l'angle formé par les points extrêmes de l'objet et l'œil de l'observateur. Vu à travers un instrument d'observation, la dimension angulaire de cet objet est différente (généralement, elle est plus grande). On appelle grossissement le rapport entre ces deux dimensions angulaires. http://serge.bertorello.free.fr/optique/dispoagr/dispoagr.html mais on ne peut pas aller mesurer la taille de l'image sur la rétine et c'est une image virtuelle On utilise donc une autre notion, celle de grossissement

noter grossissement == angle de vue de l'image/angle de vue de l'objet

Grossissement =/ Jumelles : impression de rapprochement Problème microscope: on peut imaginer voir l'objet réel de près ou de loin ! L'oeil peut accommoder au microscope... Le grossissement du microscope est égal au rapport du diamètre apparent de l'image et du diamètre apparent de l'objet vu à l'œil nu à la distance minimum de vision distincte δ. Donc G = P.δ. Il varie avec l'observateur. On prend souvent par convention δ = 25 cm c'est le grossissement commercial. (et alors le grandissement du projectif est égale au grossissement du projectif équivalent /4 ) Il y a une derniè point à ajouter. on parle de grossissement commercial c'est en fait un grandissement avec une image vue à 25cm

5e partie: Echelle L'échelle est le rapport de grandissement C'est aussi un repère physique qui permet de calculer numériquement le grandissement final à l'écran car le vidéoprojecteur effectue un agrandissement quel est l'agrandissement à l'écran de ces cellules ?

Conclusion Bilan, récapitulation: le microscope optique permet de voir des objets invisibles à l’œil nu, jusqu’à des détails de moins de 1µm Le principe du microscope composé est basé sur le jeu de 2 groupes de lentilles, un objectif et un oculaire. Il ne faut pas confondre grossissement (angulaire sur image virtuelle du microscope) et grandissement (rapport de taille objet /image réelle) Élargissement du sujet: il existe des appareils qui permettent de voir d’encore plus petits détails, les microscopes électroniques La microscopie optique actuelle met en œuvre de nouvelles techniques : fluorescence ou confocal...

Structure et modélisation Objet Lentille Objectif Lentille oculaire

Microscope Confocal Leica TCS SP2

Bibliographie et sitographie Recoules André , «  Une histoire du microscope » 2001 Françon Maurice, « La microscopie » PUF 1988  Wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_optique https://fr.wikipedia.org/wiki/Antoni_van_Leeuwenhoek Nikon microscopyu ( microscopie confocale) http://www.microscopyu.com/articles/confocal/confocalintrobasics.html Microscope de leeuwenhoek : http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/indexmag.html?http://www.microscopy- uk.org.uk/mag/artjul07/hl-loncke2.html site de vulgarisation de Fanny Cavat http://www.microscopix.ch/microscopie_principe.php?smenu=3 Diaporama J.Mourlhou sur la modélisation du microscope http://www.physagreg.fr/animations.php

Grossissement d’un microscope Soit  l’angle sous lequel on voit l’objet AB à l’œil nu Lorsque l’objet est placé à la distance minimum de vision distincte dm A B dm  Les angles sont petits et exprimés en radian On obtient  = tan  = AB / dm Soit ’ l’angle sous lequel on voit A’B’ l’image de l’objet AB au travers du microscope f’2 Lentille objectif Lentille oculaire F1 O1 F’1 F’2 F2 O2 A1 B1 B’ (rejeté à l’infini) A B ’ Les angles sont petits et exprimés en radian On obtient ’ = tan ’ = A1B1 / f’2