Un oeil vers l'infini # 658


Équipe : Les Globes Oculaires
Classe : SP 214-20, secondaire 2
École : Notre-dame-de-Roc-Amadour, Québec
Enseignant(e) : Daniel Malenfant


Avis aux lecteurs




Observation:
 

Lorsque nous regardons le ciel durant une nuit sans nuage, nous voyons scintiller des dizaines, voire des centaines d’étoiles. Depuis une époque très lointaine, les objets qui composent notre Univers ont toujours fasciné les hommes partout dans le monde.

Nous le sommes tout autant!

Cependant cet espace est si vaste et nos yeux si petits qu’il nous est impossible de différencier les étoiles des planètes.

Nous allons donc essayer de construire un instrument qui nous permettra d’observer plus attentivement le ciel. Peut-être serons-nous en mesure de distinguer certains cratères de la lune ainsi que certaines planètes situées à des milliers de kilomètres de nous...

Portons donc un oeil vers l'infini !




Hypothèse:
 

Nous pensons être en mesure de construire une lunette astronomique simple en utilisant des tubes coulissants qui ne laissent pas passer la lumière ainsi que des lentilles de différentes formes installées dans chacun des tubes. En utilisant la bonne combinaison de lentilles, nous pourrons probablement agrandir un objet éloigné de façon à distinguer des détails invisibles à l’œil nu.




    Expérimentation:
 
Matériel utilisé
 

A) Matériel pour trouver la bonne combinaison de lentilles (Images 1 et 2)

-Lumière avec une croix noire au milieu

-Supports à lentilles (2)

-Pieds (2)

-Règle de 1 mètre

-Plusieurs lentilles de longueurs focales (LF) différentes :

                                          *plan concave

                                          *plan convexe

                                          *biconcave

                                          *biconvexes (LF = 5 cm, 10 cm, 30 cm, 65 cm)

Image 1. Les lentilles utilisées pour trouver la bonne combinaison

Image 2. Matériel utilisé pour construire le banc optique

B) Matériel pour construire la lunette astronomique (Image 3)

-Tubes de plastique de type ABS de diamètres différents

-Tubes de carton de diamètres différents

-Feuilles de carton de type « bristol » de différentes couleurs

-Lentilles (2 par lunette)

-Crayons de couleur

-Compas

-Règles

-Ciseaux

-Colle et/ou gommette

-Brocheuse

-Ruban adhésif transparent

-Ruban adhésif noir d’environ 5 cm de largeur

Image 3. Matériel utilisé pour construire notre lunette astronomique

 
Protocole utilisé
 

ÉTAPE PRÉLIMINAIRE: L'ÉLABORATION D'UN PROTOCOLE

Nous nous sommes d'abord réunis en équipe afin de penser à une démarche à suivre. Après avoir consulté certains livres et sites web, nous avons élaboré notre protocole à partir d'un consensus d'équipe.

Image 4. L'élaboration du protocole.

A) TESTS POUR TROUVER LA BONNE COMBINAISON DE LENTILLES

Pour trouver les bonnes lentilles à prendre pour notre lunette astronomique, nous avons tout d'abord fait des tests en plaçant différentes combinaisons de lentilles devant nos yeux. Nous avons ensuite choisi de garder pour la prochaine étape celles qui grossissaient davantage l'objet que l'on fixait au loin au travers une vitre.

Image 5. Manipulations pour trouver les bonnes lentilles à prendre.

B) TESTS POUR TROUVER LA BONNE DISTANCE ENTRE LES LENTILLES

Pour trouver la bonne distance entre les 2 lentilles, nous avons construit un banc optique comme le démontre la photo qui suit (Images 6A et 6B) et nous avons regardé un objet à travers les lentilles alignées sur le mètre. Nous avons déplacé les lentilles vers l'avant et vers l'arrière du mètre jusqu'à ce que l'on obtienne une image bien nette. On appelle cela faire la mise au point. Lorsque nous avons obtenu une image nette, nous avons noté la distance entre les deux lentilles.

Image 6A. Démonstration pour trouver la bonne distance entre les deux lentilles.

Image 6B. Démonstration pour trouver la bonne distance entre les deux lentilles (suite).

C) CONSTRUCTION DE LA LUNETTE ASTRONOMIQUE

Afin de pouvoir construire une lunette simple mais fonctionnelle, nous avons décidé de nous inspirer des modèles inventés par Galilée vers 1609 et 1610.

Les schémas suivants (1 et 2)  résument assez bien les étapes de réalisation de notre lunette astronomique:

Schéma 1. Construction de la lunette astronomique avec des tubes de plastique de type ABS (réalisé par Maxime)

Schéma 2. Construction de la lunette astronomique avec des tubes de plastique de type ABS (cette version électronique du schéma de Maxime a été réalisée par Éric)

Il est important de souligner que nous avons décidé de construire 2 télescopes: un premier avec des tuyaux de plastique de type ABS, et un autre avec des tuyaux de carton. Afin de pouvoir effectuer la mise au point de l'objet à regarder, nous avons utilisé dans chaque cas des tuyaux coulissants; c'est-à-dire qui glissent facilement l'un dans l'autre. Une lentille est fixée à chaque bout du télescope (voir Images 7 et 8) . Nous avons réalisé pratiquement la même démarche pour les deux télescopes, sauf une étape de plus pour les tuyaux ABS. Voici donc les étapes principales à retenir:

  • Couper les tubes à la bonne longueur;
  • Coller 2 anneaux de carton de chaque côté des lentilles;
  • Fixer le tout à chaque bout du télescope (Images 7 et 8) ;
  • Pour les tuyaux ABS : Nous avons ajouté deux anneaux de papier collant autour du plus petit tuyau pour minimiser l'espace entre les 2 tubes et ainsi éviter la création d'un débalancement.
  • Finition et décoration des tubes (Image 9)   

Image 7.

Image 8.

Image 9.




Résultats:
 

Nous avons contruit 2 lunettes astronomiques avec lesquelles nous pouvons distinguer des détails sur des objets lointains qui ne se voient pas à l'oeil nu, par exemple le clocher d'une église, les lettres d'une affiche, les détails d'un arbre, quelques détails de la lune, etc. Pour ce faire, nous avons utilisé dans les 2 cas des combinaisons différentes de lentilles convexes.

Notre première lunette est construite avec une lentille de longueur focale de 30 cm et une autre de 5 cm. Le grossissement (G) est obtenu en applicant la formule simple suivante:        

G = F / f (où F est la longueur focale de l'objectif et f est la longueur focale de l'oculaire).  

Elle grossit donc 6 fois les objets lointains (G = 30 cm / 5 cm). Nous avons placé les deux lentilles dans un tube de carton à une distance d'environ 40 cm l'une de l'autre.

Notre deuxième téléscope est construit avec une lentille de longueur focale de 65 cm et une autre encore une fois de 5 cm. Il grossit 13 fois les objets lointains (G = 65 cm / 5 cm). Nous avons placé les deux lentilles dans deux tubes de plastique de type ABS à une distance d'environ 60 cm l'une de l'autre.

Image 10. Vue rapprochée de nos deux lunettes astronomiques (celle de gauche nous donne un grossissement d'environ 13X et celle de droite d'environ 6X).

Chaque montage est réalisé avec deux tubes coulissants afin de pouvoir effectuer facilement la mise au point dépendant si l'objet que l'on regarde est plus ou moins loin. Ils sont bien fermés afin que la lumière entrant ne passe que par les lentilles pour que l'image soit plus claire.

Cependant, l'image que nous voyons à l'aide de notre lunette astronomique est agrandie, mais à l'envers...

Pourquoi obtient-on une image à l'envers?

Avec les lentilles convergentes, il est possible d’obtenir 2 types d’images en regardant un objet : une image réelle ou une image virtuelle. L’image virtuelle se forme du même côté que l’objet que l'on regarde, tandis que l’image réelle se forme de l’autre côté de la lentille, mais elle est renversée (à l'envers).

Dans notre expérience, nous avons utilisé ces 2 types de lentilles.

La première, qui a une grande longueur focale (30 ou 65 cm), produit une image réelle mais à l’envers (renversée), comme le démontre le schéma plus bas. Nous avons appelé cette image «intermédiaire» car ce n'est pas vraiment celle-ci que l'on voit, mais plutôt l'image formée par la deuxième lentille. 

La deuxième lentille, qui a une longueur focale de 5 cm, produit par la suite une image virtuelle, du même côté que l'image intermédiaire, c'est-à-dire à l'envers. C'est cette dernière image que l'on voit avec notre oeil; une image qui grossit l'objet que l'on observe, mais qui est renversée.

Schéma 3. Explication de la formation d'une image agrandie mais inversée.  




Conclusion:
 

En conclusion, nous pouvons affirmer que nous avons atteint notre but premier de construire une lunette astronomique nous permettant d'observer des objets éloignés. De plus, il nous a été possible de voir certains reliefs qui caractérisent la Lune. Enfin, nous avons aussi distingué facilement les planètes Vénus et Jupiter du reste des astres visibles en cette saison. 

Nous avons cependant quelques suggestions à faire pour améliorer la qualité de l'image. Tout d'abord, il faut bien laver les lentilles pour éviter de grossir les traces de doigts! Ensuite, il serait bon d'ajouter un trépied afin que la lunette astronomique soit plus stable car la mise au point est assez difficile à faire lorsque nous tenons nos lunettes dans nos mains. Nous avons remarqué un certain halo de lumière autour des astres observés. Ceci est probablement causé par le fait que nos lentilles ne sont pas d'une qualité exceptionnelle. Il serait intéressant de comparer avec d'autres lentilles de qualité supérieure!

Nous pourrions aussi ajouter un système de miroirs afin de replacer l'image à l'endroit. Finalement, il serait possible d'ajouter d'autres lentilles, ou encore mettre des lentilles avec des longueurs focales différentes (de 3 cm et de 100 cm par exemple) afin d'obtenir un plus fort grossissement, donc une image plus grande. Cependant, si nous avions fait cela, la lunette astronomique aurait été beaucoup plus longue!... Peut-être aussi longue que les lunettes fabriquées par Galilée au début du XVIIe siècle qui pouvaient mesurer jusqu'à 2 mètres de long! 

Le groupe des Globes Oculaires accompagnée par Josée leur charmante animatrice de la Boîte à Science.




Bibliographie:
 

Livres consultés:

ARÈS, André et MARCOUX, Jules , Optique et structure de la matière , physique 302, Lidec, Montréal, 1978, 307 pages.

BOUCHARD, Régent , Physique: Phénomènes lumineux , physique 534, guide d'enseignement, Lidec, Montréal, 1992, 294 pages.

COUPER, Heather et HENBEST, Nigel , L'encyclopédie du ciel et de l'espace ,ERPI,    Saint-Laurent, 2002, 304 pages.

ELLIOTT, K. et coll. , Lumière, optique et mécanique , physique 534, Éditions de la Chenelière, Montréal, 1996, 401 pages.

Sites internet:

www.csdm.qc.ca/fseguin/classe/fseguin.5b/cyberquete/

www.csdm.qc.ca/fseguin/classe/fseguin.5b/lunette/

www.inrp.fr/lamap/scientifique/astronomie/savoir/instrument.htm

www.planetarium.montreal.qc.ca/Information/Dossiers/Telescope/partie1.html

www.astrosurf.com/lombry/galilee-lunettes.htm