نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2004: الفيزياء 1 - شعبة MP لولوج مدارس المهندسين
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باختصار
هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2004)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.
- الجهة المنظمة
- المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية)
- الدرجة
- مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين
- التخصص
- الفيزياء 1
- الدورة
- 2004
- عدد الصفحات
- 10
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
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— صفحة 1 — ROYAUME DU MAROC Ministère Chargé de l'Enseignement Ministère de l'Enseignement Secondaire et Technique Supérieur, de la Formation des Cadres et de la Recherche Scientifique Concours National Commun d’Admission aux Grandes Écoles d’Ingénieurs Session 2004 ÉPREUVE DE PHYSIQUE I Durée 4 heures Concours MP Cette épreuve comporte 9 pages au format A4, en plus de cette page de garde L'usage de la calculatrice est interdit نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 2 — Microscopie La microscopie est la technique permettant de rendre visible des détails fins d’un objet. L'épreuve propose d’en aborder quelques aspects. Elle est constituée de 3 parties largement indépendantes. La première partie étudie quelques propriétés de l’œil humain. Cette étude est nécessaire pour la compréhension du fonctionnement du microscope étudié dans la partie 2. La dernière partie aborde un aspect de la microscopie électronique. Données utiles . Masse de l’électron : me = 9,1 10-3176 . Charge de élémentaire : e = 1,6 100 . Constante de PLANCK : h = 6,62 105 . Divergence en coordonnées cylindriques d’un champ vectoriel & = a,(r, مالع + az(r, وات r Or Oz . Rotationnel en coordonnées cylindriques d’un champ vectoriel à = a,(r, الع + az(r, الت : 7-١ م80 86 Oz Or 19“ partie : Œuil L’œil est l’organe pair de la vuc. Le globe oculaire, approximativement sphérique, est constitué principalement des éléments suivants : - l’iris est une membrane circulaire, contractile, occupant le centre antérieur de l’œil et percée en son milieu d’un orifice, la pupille, dont le diamètre ن peut varier entre 2 mm et 8 mm ; l'iris joue le rôle d’un diaphragme permettant de régler la quantité de lumière qui pénètre dans l’ œil : - le cristallin, en forme de lentille biconvexe, est le principal élément réfringent de l’ œil; il est placé dans le globe oculaire en arrière de la pupille ; - la retine est une membrane du fond de l’œil, formée de cellules nerveuses en rapport avec les fibres du nerf optique, et sensible à la lumière ; elle joue le rôle d’un transducteur qui participe à la transformation du flux lumineux en influx nerveux. L'ensemble du globe oculaire est protégé par une paroi appelée la sclerotique et qui, en avant de l’œil, prend une forme bombée et devient transparente formant la cornée. L’œil ne voit clairement un objet que si son image par ses différents milieux réfringents se forme sur la rétine. Pour cela, les muscles de l’œil peuvent agir sur le cristallin pour modifier sa courbure : c’est le phénomène d’accommodation. Pour l’étude optique simplifiée proposée dans ce problème, l’œil sera schématisé par une seule lentille convergente (L) de distance focale image f; variable, placée devant un écran (Æ) qui schématise la rétine à une distance d = OF appelée profondeur de l’œil. Un diaphragme (D), d’ouverture circulaire de diamètre & variable entre 2 mm et 8 mm, est placé contre la lentille (figure 1). Le tout est plongé dans l’air d'indice de réfraction 1. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 3 — Fig 1 : Modèle simplifié de l'œil. La puissance P de l’œil est définie par : P s’exprime en dioptrie (6) lorsque f, est exprimée en mètre (146 = 1m”*). L’accommodation traduit la capacité de l’ œil à faire varier sa puissance P. 1.1 Champ latéral et champ en profondeur 1.1.1 Le champ latéral couvert par l’œil représente l’ensemble des points de l’espace qui peuvent être vus nettement par l’œil. Il est défini par un cône de sommet 0 et d'angle نه compris entre 40° et 50°. Cependant, l’acuité visuelle n’est pas la même pour toutes les directions de ce champ. Elle est maximale au centre sur un cône d'angle au sommet ar = 5°. En déduire l’ordre de grandeur du diamètre 7 de la zone de perception des détails située au centre de la rétine pour un œil de profondeur d = 17 mm. 1.1.2 Comment doit varier la puissance P en fonction de la distance م = —OA, d’un objet A.Bo placé devant l’œil sur l’axe optique principal pour que A,B, soit vu nettement ? Représenter graphiquement P(p). 1.1.3 En réalité la puissance P de l’œil est limitée par une puissance maximum Pymax- Le punctum proximum (P,) est le conjugué de la rétine au maximum de la puissance P. Pour un œil normal (P,) se trouve à une distance |OP,| = 25 cm. En déduire la valeur de la puissance maximum Praz POUr un œil normal de profondeur d = 17 mm. 1.1.4 Le punctum remotum (P,) est le conjugué de la rétine au minimum de la puissance P. Pour un œil normal (P,) est rejeté a l'infini. En déduire la valeur de la puissance minimum Pmnin pour un œil normal de profondeur d = 17mm. 1.1.5 Déduire de ce qui précède l’amplitude maximale d’accommodation A = Pyrax › Pmin Et calculer sa valeur numérique. 1.2 Défauts de lœuil et correction 1.2.1 Myopie Pour les mêmes valeurs numériques des puissances Praz اه Prin, UN œil myope possède une profondeur dy = 17,5 mm. 1.2.1.1 Où se trouve l’image d’un objet très loin par un tel œil lorsqu’ il n’accommode pas ? L’œil myope est-il capable de former l’image de cet objet sur la rétine ? 1.2.1.2 Déterminer les positions du punctum remotum et du punctum proximum pour cet œil. 1.2.1.3 Quel type de lentille mince faut-il accoler à la cornée pour corriger une telle anomalie ? Calculer sa distance focale image fm- Commenter. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 4 — 1.2.2 Hypermétropie Un œil hypermétrope a une profondeur d, = 16,5 mm et possède les mêmes valeurs des puissances Pyax €t Pmin que l’œil normal. 1.2.2.1 Où se trouve l’image d’un objet très loin par un tel œil lorsqu'il n’accommode pas ? L’œil hypermétrope est-il capable de former l’image de cet objet sur la rétine ? Si oui, quelle est la puissance P, nécessaire ? 1.2.2.2 Déterminer les positions du punctum remotum et du punctum proximum pour cet œil. 1.2.2.3 Quel type de lentille mince faut-il accoler à la cornée pour corriger une telle anomalie ? Calculer sa distance focale image fn. Commenter. 1.2.3 Presbytie Avec l’âge, le cristallin perd de son élasticité. Ceci qui se traduit par une diminution de l’ampli- tude maximale d’accommodation : l'œil devient presbyte. On convient de considérer qu’un œil devient presbyte lorsque sa puissance maximale diminue de plus de 1,14 0. À quelle distance minimale doit-on placer un document devant un tel œil, initialement normal, pour pouvoir le lire ? 1.3 Limite de résolution de l’œuil Le pouvoir de résolution est la capacité de l’œil à distinguer deux points très rapprochés. Cette capacité est limitée par la structure granulaire de la rétine formée de cellules de diamètre moyen g = 5,1 jm au contact les unes avec les autres. 1.3.1 On admet que pour que la séparation de deux points puisse se faire distinctement, il faut que leurs images se forment sur deux cellules de la rétine séparées par une troisième. En déduire l'expression littérale puis la valeur numérique de la limite de résolution angulaire à, d’un œil normal de profondeur d = 17 mm. 1.3.2 À quelle distance de l’œil doit-on placer un objet pour pouvoir apprécier ses détails les plus fins ? Justifier la réponse. 2076 partie : Microscope composé Le microscope est un instrument optique qui permet d'observer les détails d’objets microsco- piques ayant un diamètre apparent trop petit pour être distingués à l’œil nu. Un microscope composé est un système optique centré constitué principalement d’un objectif et d’un oculaire d’axe optique principal commun. L'objectif est constitué d’un ensemble assez complexe de len- tilles. Il est caractérisé (figure 2) par ses plans principaux objet Il,1 et image 11 et par ses foyers objet F,, et image F;, Les distances focales objet f,1 et image f; sont telles que fu = Ho1Fo1 et fu = HaF;. L'objectif donne d’un objet A,Bo perpendiculaire à l’axe optique une image réelle A, B,. La figure 2 explique le principe de formation de l’image A; B, par l’objectif. Pour les applications numériques, on prendra fu = 4 mm. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 5 — objectif Fig 2 : Formation de l’image intermédiaire par l’objectif du microscope. L'objectif est stigmatique pour un point objet A, quelconque situé sur l’axe et il en donne une image A; située sur l’axe. Il est aussi aplanétique pour un petit objet A,B. perpendiculaire à l’axe optique principal et ce même si l’angle نه que font les rayons lumineux avec l’axe optique principal peut atteindre une valeur .مه de l’ordre de 70°. Un rayon lumineux issu de A, et faisant un angle مه quelconque avec l’axe ressort de l'objectif en passant par A, et en faisant un angle ay avec l’axe. On admettra que, contrairement à à, l'angle a; reste toujours petit. La condition d’aplanétisme pour l’objectif se traduit par la relation : NA,B,sina, = A,B, sina, = A,B404 (2) D’autre part, l’objectif considéré est dit à immersion car l'objet est immergé dans un li- quide d’indice N qui vient au contact de l’objectif. L'objectif est caractérisé par son ouverture numérique : 0, = N sin .مم On admet enfin que foi = —N fa Pour les applications numériques on prendra N = 1,515 et am = 70°. L’oculaire, quant à lui, sera représenté par une lentille mince convergente unique de centre O5, de foyer objet F4 et de foyer image F;9 sa distance focale image est fa = O9 F;9 = 20mm. Le foyer image F;1 de l’objectif et le foyer objet F42 de l’oculaire sont séparés d’une distance À = appelée intervalle optique. Pour les applications numériques, on prendra À = 200 mm. وو 7ر1 Mise au point 2.1 Qu'’appelle-t-on conditions de GAUSS ? 2.1.1 L'objectif du microscope considéré fonctionne-t-il dans les conditions de GAUSS ? Pourquoi ? 2.1.2 En utilisant la figure 2 pour exprimer de deux manières différentes le grandissement transversal 2.1.3 Gun de l’objectif défini par : montrer que les positions de l’objet A, et de son image A, par l'objectif sont reliées par la relation de conjugaison de NEWTON : 2.1.4 L’œil de l’observateur est supposé normal. Où l’image intermédiaire A; B; donnée par l'objectif doit-elle se situer pour que l’observateur puisse voir l’image définitive sans accommodation ? Dans toute la suite de cette partie, on supposera que cette condition est réalisée lors de l’utilisation normale du microscope. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 6 — 2.1.5 Compléter alors le schéma de la figure 2, après l'avoir reporté sur la copie de composition, en traçant le cheminement à travers l’ensemble du microscope (objectif et oculaire) du faisceau lumineux issu du point B, représenté figure 2. 2.1.6 En déduire la position de l'objet A,B. caractérisée par la distance algébrique Fe1Ao que l’on exprimera en fonction de À, N et fn- 2.1.7 Déterminer, dans les mêmes conditions, le grandissement transversal Gy de l’objectif. 2.1.8 Application numérique : calculer F1 Ao et ٠ 2.2 Cercle oculaire 2.2.1 En utilisant le schéma de la figure 2, tracer le cheminement à travers le microscope des rayons lumineux extrêmes du faisceau conique de sommet A, et de demi-angle au sommet am- 2.2.2 En déduire que tous les rayons lumineux issus de مك situés à l’intérieur d’un cône de sommet A, et de demi-angle au sommet am traversent le plan focal image de l'objectif à l’intérieur d’un cercle de rayon R. que l’on exprimera en fonction de fi et Q,- 2.2.3 En supposant que l’oculaire n’obture aucune partie de la lumière sortant de l'objectif, déterminer le rayon p du faisceau cylindrique sortant du microscope et formé par les rayons lumineux issus de A, ; on exprimera م en fonction de fi, fig, Qn et A. 2.2.4 En fait, tout se passe comme si les rayons sortant de l'objectif étaient diaphragmés par une ouverture circulaire de rayon R, centrée en F1 et située dans le plan focal image de l’objectif. 2.2.4.1 En déduire que tous les rayons issus d’un objet étendu perpendiculaire à l’axe et sortant de l’instrument sont ainsi astreints à traverser un disque appelé disque oculaire, de centre C, dont on calculera la position et le rayon pe. Où doit-on placer l’œil pour recevoir le maximum de lumière ? On supposera par la suite que cette condition est réalisée. 2.2.4.2 Application numérique : calculer .م et .)ور Commenter. 2.3 Grossissement On définit le grossissement G du microscope comme étant le rapport entre l’angle 0" sous lequel on voit un objet donné A,B, à travers le microscope et l’angle 0 sous lequel on voit le même objet à l’œil nu lorsque A,Bo est placé à la distance minimale de vision distincte à. Pour les applications numériques on prendra à = 250 mm. 2.3.1 Exprimer G en fonction de fi, fig, À et 0. et calculer sa valeur numérique. 2.3.2 Exprimer le rayon وم du cercle oculaire en fonction de G, Q, et 0. 2.3.3 Pour quelle valeur Ge du grossissement G, le rayon .م du cercle oculaire devient-il égal au rayon et po et calculer numériquement ف de la pupille de l’œil + Exprimer Ge en fonction de Q,, وم Ge- On prendra po = 2,5 mm. 2.3.4 Comment peut-on définir un rayon utile ىم de la pupille pour recevoir un maximum de lumière ? Déterminer l’expression de ىم et représenter ses variations en fonction de G en supposant وم constant. 2.4 Pouvoir de résolution La résolution du microscope est sa capacité de permettre à un œil de distinguer les détails les plus fins d’un objet. Deux facteurs principaux limitent la résolution du microscope optique. Il s’agit de la diffraction et de la structure granulaire de la rétine de l’ œil. 2.4.1 Influence de la diffraction 2.4.1.1 Dire succinctement en quoi consiste le phénomène de diffraction. Pour l'étude du microscope composé, tout se passe comme si la lumière était diffractée par le diaphragme circulaire de rayon R situé dans le plan focal image de l'objectif et centré en F;,. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 7 — نه عي جه اك 55 1 5 10611 1 === 2 oculaire Fig 3 : Diaphragme diffractant dans son environnement. Le microscope est éclairé par l’onde monochromatique de longueur d’onde À issue d’un objet ponctuel مك conjugué géométrique du foyer objet F2 de l’ oculaire. À cause de la diffraction par le diaphragme de rayon R, l’amplitude مه de l’onde diffractée dans le plan focal objet de l’oculaire dépend de l’angle 0 que fait la direction d’observation avec l’axe optique principal. On admet qu’elle est donnée par : 271 221710 ) où ap est une constante et J, est la fonction de BESSEL d'ordre 1. La figure 4 donne une représentation graphique de la fonction م — J1(2xp)/2xp. Elle s’annule pour la premiere fois pour رم = 0,61. à z . م22 Fig 4 : Représentation de “ ل TE) en fonction .م عل 2.4.1.2 Donner l'expression de l’intensité lumineuse /4(0) dans le plan focal objet de l’oculaire en notant و7 la valeur de l'intensité en F9 2.4.1.3 Donner l’aspect de la figure de diffraction obtenue dans le plan focal objet de l’oculaire passant par F9 On justifiera succinctement la réponse. 2.4.1.4 Déterminer le rayon angulaire 0, de la tache centrale de diffraction. 2.4.1.5 On considère (critère de RAYLEIGH) qu’il y a séparation entre deux points مك et Bo si la distance des centres des taches centrales de diffraction est au moins égale au rayon d’une tache centrale. En déduire la distance .وي dans le plan objet du microscope, correspondant à la plus نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 8 — petite distance de deux points objets مك et B, séparables. On exprimera Sy en fonction de À et Q, Commenter le résultat obtenu en précisant les facteurs permettant d'améliorer le pouvoir de résolution. 2.4.2 Influence du pouvoir séparateur de l’œuil Du fait de la structure granulaire de la rétine, l’œil n’est capable de distinguer deux points que si leur écart angulaire dépasse une valeur minimale az appelée pouvoir séparateur de l’œil. Pour les applications numériques on prendra a, = 3.104. 2.4.2.1 Tracer le cheminement à travers le microscope des faisceaux lumineux issus de deux points et B, disposés symétriquement par rapport à l’axe optique principal dans le plan conjugué مك par l’objectif du plan focal objet de l’oculaire. 2.4.2.2 En déduire la distance minimale وي que doit séparer les deux points A, et B, dans le plan objet du microscope pour que l’œil puisse les distinguer en l’absence de la diffraction. On exprimera وى en fonction de G, ar et 6. 2.4.3 Discussion 2.4.3.1 En exploitant l’étude précédente, montrer qu’il existe une valeur minimale G; du grossisse- ment G telle que le pouvoir de résolution soit limité par la diffraction. 2.4.3.2 La diffraction est-elle responsable de la limitation du pouvoir de résolution du microscope étudié ? Justifier. On prendra À = 0,5 pm. 2.4.3.3 Dans le cas où le pouvoir de résolution est limité par la diffraction, comment varie-t-il en fonction de la longueur d’onde du rayonnement utilisé pour éclairer l’objet à observer ? 3ème partie : Microscope électronique 3.1 Principe Le microscope électronique exploite une propriété quantique d’un faisceau d’électrons. En effet, à un électron d’impulsion م = meêv, 011 M, et v sont respectivement la masse et la vitesse de l’électron, est associée une onde de longueur d’onde À, donnée par la relation de DE BROGLIE : 0 ديد où h est la constante عل PLANCK. Les électrons sont produits par effet thermoélectronique dans un canon à électrons placé dans le vide. Ils sont ensuite accélérés sous une différence de potentiel V, = 10 kV. 3.1.1 Exprimer la vitesse va des électrons accélérés en fonction de leur masse m, de leur charge e et de Ve. Pour cela on négligera la vitesse initiale d'émission des électrons. 3.1.2 En déduire leur longueur d’onde ا 3.1.3 Application numérique : calculer va et يا 3.1.4 Comparer la longueur d’onde À, de l’onde associée à l’électron, à celle À de la lumière visible et dire pourquoi le microscope électronique peut avoir un pouvoir de résolution meilleur que celui du microscope optique. On rappellera auparavant les limites en longueur d’onde du spectre de la lumière visible. 3.2 Lentille électrostatique Dans le microscope électronique, comme dans le microscope optique, la formation d’une image agrandie de l’objet à observer nécessite l’utilisation de dispositifs capables de dévier la direction نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 9 — de propagation de l’onde. Le but de cette section est d'étudier le principe de fonctionnement d’une lentille électrostatique qui peut être utilisée pour dévier la trajectoire des électrons dans un microscope électronique. 3.2.1 Champ électrostatique dans la lentille Dans la région (R) de l’espace appelée lentille électrostatique régne un champ électrostatique non uniforme É. La région (R) est vide de charge électrique et telle que : x? + y? = R? et —( › z › +. Le champ électrostatique E est produit par un dispositif invariant par rotation d’un angle 0 quelconque autour de l’axe Oz et qui admet le plan ع = 0 comme plan de symétrie. Le champ électrostatique est nul en dehors de la région . 3.2.1.1 Montrer, en évoquant des arguments clairs, que le champ électrostatique Æ' s'écrit en coor- données cylindriques (r, 0, #) d’axe Oz sous la forme : où F et G sont deux fonctions quelconques des coordonnées r et z uniquement que l’on ne demande pas d’expliciter pour le moment. (@,, do, ü) est la base orthonormée locale du système de coordonnées cylindriques. 3.2.1.2 Que vaut G(r, =) dans le plan z = 0? Justifier. 3.2.1.3 Rappeler les équations locales vérifiées par le champ électrostatique Ë dans la région (R). 3.2.1.4 En déduire que les composantes F et G du champ électrostatique verifient les équations aux dérivées partielles suivantes : ب 086 - 27 0 مم ع 17 890)760( - 0 ون ا( 3.2.1.5 Le dispositif qui crée le champ électrostatique E dans la région (R) impose F(r,z) = مي avec 8 = QU, /R?, Up étant une constante. En déduire que G(r, 2( = 8'z et donner l’expression de 8 en fonction de 2. 3.2.1.6 Montrer que le champ électrostatique Æ dérive d'un potentiel électrostatique & que l’on exprimera en fonction de Up, r et z. 3.2.1.7 Quelle est la nature de la surface équipotentielle passant par l’origine ? Justifier la réponse et représenter graphiquement cette surface. Que représente Up ? 3.2.2 Mouvement de l’électron dans la lentille À l’instant choisi comme origine, un électron pénètre dans la région (R) au point 1. de co- ordonnées r = r9 › R, z = -/ avec une vitesse Ÿ = و لام › 0. Dans toute la suite, on négligera l’action de la pesanteur sur le mouvement de l’électron. 3.2.2.1 En exploitant la projection du théorème du moment cinétique sur l’axe Oz, montrer que, dans la région (R), le mouvement de l’électron se fait dans un plan méridien 0 = constante. 3.2.2.2 Etablir les équations différentielles vérifiés séparément par r et 2. À quelle condition sur Up, le mouvement de l’électron est-il confiné au voisinage de l’axe Oz. En supposant que cette condi- tion est satisfaite dans toute la suite, montrer que les équations différentielles précédentes peuvent s’écrire : —2u?z=0 (9) ع et 0= مقو د اي et donner l’expression de w en fonction de e, me, Up et R. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 10 — 3.2.2.3 Résoudre l’équation différentielle en 2 et déterminer l’expression de z(t) vérifiant les condi- tions initiales. 3.2.2.4 Dans toute la suite, on suppose satisfaite la condition .ون › ابن Montrer alors, que la vitesse # de l’électron reste pratiquement égale à vo et en déduire la durée t4 nécessaire à l’électron pour traverser la zone (R)). 3.2.2.5 Résoudre de même l’équation différentielle en r et montrer que la trajectoire électronique reste au voisinage de l’axe Oz. Quelle est l’hypothèse correspondante en optique ? 3.2.2.6 Déterminer les composantes du vecteur vitesse de l’électron au point 1 de sa sortie de la région (R). 3.2.2.7 Montrer que le mouvement de l’électron est rectiligne uniforme en dehors de la région (R). 3.2.2.8 Déterminer la coordonnée zrr du point d'intersection de la trajectoire électronique avec l’axe Oz. La position de F’ dépend-elle de 7, ? Justifier le nom de foyer donné à F’. Cette lentille électrostatique est-elle convergente ou divergente ? Comment peut-on agir sur la distance focale de la lentille. 3.2.2.9 Application numérique : calculer z pour € = 1,0 107*m et وو/رام = 102. fin de l’énoncé نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com
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Épreuve de Physique I du Concours National Commun (CNC) 2004, filière MP, d'admission aux grandes écoles d'ingénieurs marocaines (durée 4 heures, calculatrice interdite). Le sujet, intitulé « Microscopie », est un problème en trois parties largement indépendantes : l'œil (optique géométrique, défauts et correction), le microscope composé (mise au point, cercle oculaire, grossissement, pouvoir de résolution et diffraction), puis le microscope électronique (longueur d'onde de de Broglie et lentille électrostatique). Voici une correction méthodologique proposée.
💡 Avant de commencer : la partie 1 est très rapide et rapporte des points faciles (relation de conjugaison 1/d + 1/p = P). Dans la partie 2, tout repose sur deux outils : la relation de Newton et la condition d'aplanétisme d'Abbe (N·AoBo·sin αo = A1B1·α1). La partie 3 est un exercice classique d'électrostatique (symétries, div et rot) suivi d'une mécanique du point en coordonnées cylindriques : on peut la traiter indépendamment des deux premières.
1re partie : l'œil
1.1 Champ latéral et champ en profondeur
- 1.1.1 La zone de perception des détails est vue depuis O sous l'angle αF = 5° ≈ 0,087 rad : φF ≈ d·αF = 17 × 0,087 ≈ 1,5 mm (c'est l'ordre de grandeur de la fovéa).
- 1.1.2 Pour une vision nette l'image doit se former sur la rétine : OA' = d et OAo = −p. La relation de conjugaison 1/OA' − 1/OAo = 1/fi donne P(p) = 1/d + 1/p. P décroît quand p augmente : branche d'hyperbole, qui tend vers l'asymptote horizontale P = 1/d quand p → ∞ et diverge quand p → 0.
- 1.1.3 Au punctum proximum p = 0,25 m : Pmax = 1/0,017 + 1/0,25 = 58,8 + 4 ≈ 62,8 δ.
- 1.1.4 Au punctum remotum p → ∞ : Pmin = 1/d ≈ 58,8 δ.
- 1.1.5 A = Pmax − Pmin = 1/|OPp| = 4 δ.
1.2 Défauts de l'œil et correction
Myopie (dm = 17,5 mm, 1/dm ≈ 57,14 δ).
- 1.2.1.1 Sans accommodation, fi = 1/Pmin = 17 mm : l'image d'un objet à l'infini est au foyer, 0,5 mm en avant de la rétine. Accommoder augmente P et rapproche encore l'image : l'œil myope ne peut pas voir net à l'infini.
- 1.2.1.2 1/pr = Pmin − 1/dm = 1/0,017 − 1/0,0175 = 0,0005/(0,017 × 0,0175) ≈ 1,68 δ, d'où pr ≈ 59,5 cm. Puis 1/pp = Pmax − 1/dm = 1,68 + 4 = 5,68 δ, d'où pp ≈ 17,6 cm.
- 1.2.1.3 Il faut diminuer la puissance : lentille divergente accolée de vergence V telle que Pmin + V = 1/dm, soit V = −1,68 δ et fm ≈ −59,5 cm : son foyer image coïncide avec le punctum remotum de l'œil. Avec la lentille, le nouveau PP vérifie 1/p = Pmax + V − 1/dm = 4 δ : p = 25 cm, l'œil corrigé retrouve exactement les performances de l'œil normal.
Hypermétropie (dh = 16,5 mm, 1/dh ≈ 60,61 δ).
- 1.2.2.1 Sans accommodation l'image de l'infini est à 17 mm, donc 0,5 mm derrière la rétine. Comme 1/dh = 60,6 δ < Pmax = 62,8 δ, l'œil peut la ramener sur la rétine en accommodant : oui, avec Pn = 1/dh ≈ 60,6 δ (l'œil accommode déjà de 1,8 δ pour voir à l'infini).
- 1.2.2.2 1/pr = Pmin − 1/dh ≈ −1,78 δ : pr ≈ −56 cm, punctum remotum virtuel situé 56 cm derrière l'œil. 1/pp = 4 − 1,78 = 2,22 δ : pp ≈ 45 cm.
- 1.2.2.3 Lentille convergente de vergence +1,78 δ, fh ≈ +56 cm : l'œil corrigé retrouve PR à l'infini et PP à 25 cm, sans fatigue d'accommodation permanente.
1.2.3 Presbytie. Pmax diminue de 1,14 δ : 1/pp = 4 − 1,14 = 2,86 δ, d'où pp ≈ 35 cm : le document doit être placé à au moins 35 cm environ.
1.3 Limite de résolution de l'œil
- 1.3.1 Les centres des deux cellules excitées, séparées par une troisième, sont distants de 2g. Vus depuis O : αℓ = 2g/d = 10,2 × 10−6/0,017 ≈ 6 × 10−4 rad (environ 2 minutes d'arc).
- 1.3.2 Pour un détail de taille donnée, l'angle apparent est d'autant plus grand que l'objet est proche ; mais il faut rester net. On place donc l'objet au punctum proximum, à 25 cm : le plus petit détail discernable vaut alors 0,25 × 6 × 10−4 ≈ 0,15 mm.
2e partie : microscope composé
2.1 Mise au point
- 2.1.1 Conditions de Gauss : rayons paraxiaux, c'est-à-dire proches de l'axe et peu inclinés sur lui. Elles assurent un stigmatisme et un aplanétisme approchés pour tout système centré.
- 2.1.2 Non : côté objet les rayons font jusqu'à αm = 70° avec l'axe, angle qui n'est pas petit. L'objectif est rigoureusement stigmatique et aplanétique grâce à sa conception (condition des sinus d'Abbe), pas grâce aux conditions de Gauss.
- 2.1.3 Rayon issu de Bo passant par Fo1 : il ressort parallèle à l'axe à la hauteur A1B1. Triangles semblables de sommet Fo1 : Gt1 = −fo1/Fo1Ao. Rayon issu de Bo parallèle à l'axe : il ressort par Fi1, d'où Gt1 = −Fi1A1/fi1. En égalant : Fo1Ao · Fi1A1 = fo1 · fi1 (Newton).
- 2.1.4 Un œil normal voit sans accommoder une image à l'infini : A1B1 doit être dans le plan focal objet de l'oculaire, A1 = Fo2.
- 2.1.5 Le faisceau issu de Bo converge après l'objectif en B1 (dans le plan de Fo2), diverge ensuite et sort de l'oculaire en faisceau parallèle incliné, de direction celle du rayon non dévié B1O2.
- 2.1.6 Fi1A1 = Fi1Fo2 = Δ, et fo1 = −N fi1, donc Fo1Ao = −N fi12/Δ (objet juste avant Fo1).
- 2.1.7 Gt1 = −Δ/fi1.
- 2.1.8 Fo1Ao = −1,515 × 16/200 ≈ −0,121 mm ; Gt1 = −50.
2.2 Cercle oculaire
- 2.2.1 Les rayons extrêmes (±αm) issus de Ao ressortent de l'objectif en convergeant vers A1 = Fo2 avec le petit angle ±α1m ; comme ils passent par le foyer objet de l'oculaire, ils en ressortent parallèles à l'axe.
- 2.2.2 Un rayon issu de Ao sous l'angle αo ressort vers A1 sous l'angle α1 ; dans le plan de Fi1, à la distance Δ de A1, il est à la hauteur r = Δ·α1. L'aplanétisme donne α1 = N sin αo/|Gt1| = N fi1 sin αo/Δ, donc r = N fi1 sin αo ≤ N fi1 sin αm. Tous ces rayons traversent un cercle de rayon R = fi1 Ωn.
- 2.2.3 Un rayon passant par Fo2 sous l'angle α1 sort de l'oculaire parallèle à l'axe à la hauteur fi2α1. Avec α1m = Ωn fi1/Δ : ρ = fi1 fi2 Ωn/Δ.
- 2.2.4.1 Le diaphragme de rayon R centré en Fi1 est le diaphragme d'ouverture ; tous les rayons sortants passent par son image à travers l'oculaire, le cercle oculaire. Newton pour l'oculaire avec Fo2Fi1 = −Δ : Fo2Fi1 · Fi2C = −fi22, donc Fi2C = fi22/Δ. Grandissement −Fi2C/fi2 = −fi2/Δ, donc ρc = R fi2/Δ = fi1 fi2 Ωn/Δ (égal à ρ). Pour recueillir le maximum de lumière, on place la pupille de l'œil dans le plan du cercle oculaire, centrée en C.
- 2.2.4.2 Ωn = 1,515 × sin 70° ≈ 1,515 × 0,940 ≈ 1,42. ρc ≈ 4 × 20 × 1,42/200 ≈ 0,57 mm et Fi2C = 400/200 = 2 mm. Commentaire : le cercle oculaire est tout près de l'oculaire, juste après son foyer image, et plus petit que la pupille (1 à 4 mm de rayon) : toute la lumière utile entre dans l'œil.
2.3 Grossissement
- 2.3.1 Image finale à l'infini : θ' = A1B1/fi2 ; à l'œil nu θ = AoBo/δ. Donc G = |Gt1| δ/fi2 = Δ δ/(fi1 fi2) = 200 × 250/(4 × 20) = 625.
- 2.3.2 En remplaçant Δ/(fi1fi2) = G/δ : ρc = Ωn δ/G (vérification : 1,42 × 250/625 ≈ 0,57 mm).
- 2.3.3 ρc = ρ0 pour Ge = Ωn δ/ρ0 ≈ 1,42 × 250/2,5 ≈ 142.
- 2.3.4 Seule la partie de la pupille éclairée sert : ρu = min(ρ0, ρc). Pour G ≤ Ge, ρu = ρ0 (palier horizontal) ; pour G ≥ Ge, ρu = Ωnδ/G (branche d'hyperbole décroissante). Au-delà de Ge, la luminosité de l'image baisse.
2.4 Pouvoir de résolution
- 2.4.1.1 Diffraction : lorsqu'une onde rencontre une ouverture ou un obstacle de dimension limitée (d'autant plus marqué que la dimension est proche de λ), elle ne suit plus la propagation rectiligne de l'optique géométrique et s'étale dans des directions voisines ; on l'interprète par le principe de Huygens-Fresnel.
- 2.4.1.2 L'intensité est proportionnelle au carré de l'amplitude, et 2J1(x)/x → 1 quand x → 0 : Id(θ) = I0 [2J1(2πRθ/λ)/(2πRθ/λ)]2.
- 2.4.1.3 Le diaphragme est circulaire, donc la figure a la symétrie de révolution autour de l'axe : tache d'Airy, un disque central brillant qui concentre l'essentiel de l'énergie, entouré d'anneaux concentriques alternativement sombres et brillants, de plus en plus faibles (zéros et maxima secondaires de la figure 4).
- 2.4.1.4 Premier zéro pour Rθ/λ = ρ1 ≈ 0,61 : θd = 0,61 λ/R.
- 2.4.1.5 Dans le plan de Fo2, à la distance Δ de Fi1, les centres des taches doivent être distants d'au moins Δθd. Cela correspond dans le plan objet à Sd = Δθd/|Gt1| = fi1θd = 0,61 λ fi1/R, soit Sd = 0,61 λ/Ωn (formule d'Abbe-Rayleigh). Pour l'améliorer : diminuer λ (bleu, UV, électrons) et augmenter l'ouverture numérique (grand αm, liquide d'immersion d'indice N élevé).
- 2.4.2.1 A1 et B1, symétriques, sont dans le plan focal objet de l'oculaire : chacun donne en sortie un faisceau parallèle de direction O2A1 ou O2B1, et ces deux faisceaux se croisent au niveau du cercle oculaire, où se trouve l'œil.
- 2.4.2.2 L'angle entre les deux faisceaux émergents vaut θ' = G·θ = G·S/δ. Il faut θ' ≥ αℓ : SS = αℓ δ/G.
- 2.4.3.1 La distance minimale séparable est max(Sd, SS). SS décroît avec G alors que Sd n'en dépend pas : la diffraction limite dès que SS ≤ Sd, c'est-à-dire G ≥ Gd = αℓ δ Ωn/(0,61 λ).
- 2.4.3.2 L'énoncé imprime « λ = 0,5 pm », ce qui est manifestement une coquille pour 0,5 µm (lumière visible, microscope optique). Avec λ = 0,5 µm : Gd = 3 × 10−4 × 0,25 × 1,42/(0,61 × 0,5 × 10−6) ≈ 350. Comme G = 625 > Gd, oui, c'est la diffraction qui limite : Sd ≈ 0,61 × 0,5/1,42 ≈ 0,21 µm, contre SS = 3 × 10−4 × 250 mm/625 ≈ 0,12 µm. Grossir au-delà de ~350 n'apporte plus de détails (grossissement « vide »).
- 2.4.3.3 Sd est proportionnel à λ : le pouvoir de résolution (1/Sd) augmente quand la longueur d'onde diminue.
3e partie : microscope électronique
3.1 Principe
- 3.1.1 Théorème de l'énergie cinétique entre la cathode (vitesse nulle) et la sortie du canon : ½ mev02 = eVc, donc v0 = √(2eVc/me).
- 3.1.2 λe = h/(mev0) = h/√(2meeVc).
- 3.1.3 v0 = √(3,2 × 10−15/9,1 × 10−31) = √(3,52 × 1015) ≈ 5,9 × 107 m/s (environ 0,2c : le traitement non relativiste reste acceptable, l'erreur est de quelques %). √(2meeVc) ≈ 5,40 × 10−23 kg·m/s, d'où λe ≈ 1,2 × 10−11 m ≈ 12 pm.
- 3.1.4 Le visible s'étend d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). λe est environ 4 × 104 fois plus petite. Comme la limite de résolution due à la diffraction est proportionnelle à λ, le microscope électronique peut résoudre des détails beaucoup plus fins, jusqu'à l'échelle atomique en pratique ; il est limité surtout par les aberrations des lentilles électroniques.
3.2.1 Champ électrostatique dans la lentille
- 3.2.1.1 Invariance par rotation autour de Oz : les composantes ne dépendent pas de θ. Tout plan contenant Oz et le point M (plan (M, ur, uz)) est plan de symétrie de la distribution : le champ en M appartient à ce plan, donc Eθ = 0. D'où E = F(r,z) ur + G(r,z) uz.
- 3.2.1.2 Le plan z = 0 est plan de symétrie : en un point de ce plan, E est contenu dans le plan, donc G(r,0) = 0.
- 3.2.1.3 Région vide de charges, régime statique : div E = 0 (Maxwell-Gauss) et rot E = 0 (Maxwell-Faraday).
- 3.2.1.4 Avec les formules données : rot E = (∂F/∂z − ∂G/∂r) uθ = 0 donne la première équation ; div E = (1/r)∂(rF)/∂r + ∂G/∂z = 0, multipliée par r (r ne dépend pas de z), donne ∂(rF)/∂r + ∂(rG)/∂z = 0.
- 3.2.1.5 F = βr donne ∂F/∂z = 0, donc ∂G/∂r = 0 : G = G(z). Ensuite (1/r)∂(βr2)/∂r = 2β, donc G'(z) = −2β et G = −2βz + cte, avec G(0) = 0 : G = β'z, β' = −2β.
- 3.2.1.6 rot E = 0, donc E = −grad φ. −∂φ/∂r = βr donne φ = −βr2/2 + h(z) ; −∂φ/∂z = 2βz donne h = βz2 + cte. En prenant φ(O) = 0 : φ(r,z) = U0(2z2 − r2)/R2.
- 3.2.1.7 φ = 0 équivaut à r = √2 |z| : c'est un cône de révolution d'axe Oz et de sommet O, dont le demi-angle au sommet vérifie tan α = √2 (α ≈ 54,7°). On le représente par deux droites r = ±√2 z dans un plan méridien. Les autres équipotentielles sont des hyperboloïdes de révolution : φ = −U0 passe par le cercle r = R du plan z = 0, φ = +U0 passe par les points z = ±R/√2 de l'axe. U0 fixe l'échelle du potentiel : c'est la tension appliquée entre O et les électrodes (la différence de potentiel entre les électrodes « chapeaux » et l'électrode annulaire vaut 2U0).
3.2.2 Mouvement de l'électron dans la lentille
- 3.2.2.1 La force −eE n'a pas de composante sur uθ. OM × (−eE), avec OM = r ur + z uz, est porté par uθ : son moment par rapport à Oz est nul. Donc Lz = mer2θ̇ = cte = 0 (vitesse initiale selon uz) : θ̇ = 0, le mouvement est dans un plan méridien.
- 3.2.2.2 Avec θ̇ = 0, le PFD donne mer̈ = −eβr et mez̈ = −eG = 2eβz. Il y a confinement près de l'axe si la force radiale est de rappel, soit U0 > 0. On obtient alors r̈ + ω2r = 0 et z̈ − 2ω2z = 0 avec ω = √(2eU0/(meR2)).
- 3.2.2.3 Posons k = √2 ω. Avec z(0) = −ℓ et ż(0) = v0 : z(t) = −ℓ ch(kt) + (v0/k) sh(kt).
- 3.2.2.4 ż = v0 ch(kt) − kℓ sh(kt). La traversée dure environ 2ℓ/v0, donc kt ≈ 2√2 ωℓ/v0 ≪ 1 : ch ≈ 1 et kℓ sh(kt) ≈ 2√2 ωℓ·(ωℓ/v0) ≪ v0. D'où ż ≈ v0 et t1 ≈ 2ℓ/v0.
- 3.2.2.5 Avec r(0) = r0 et ṙ(0) = 0 : r(t) = r0 cos ωt, donc |r| ≤ r0 ≪ R, et même r ≈ r0 puisque ωt1 ≪ 1. La trajectoire reste voisine de l'axe et peu inclinée : c'est l'analogue des conditions de Gauss (rayons paraxiaux).
- 3.2.2.6 En I (t = t1) : ṙ = −r0ω sin(ωt1) ≈ −2r0ω2ℓ/v0, ż ≈ v0, vθ = 0.
- 3.2.2.7 Hors de (R), E = 0 et le poids est négligé : la résultante des forces est nulle, donc (principe d'inertie) mouvement rectiligne uniforme.
- 3.2.2.8 Après I (r ≈ r0, z = ℓ), la trajectoire est une droite de pente dr/dz = ṙ/ż = −2r0ω2ℓ/v02. Elle coupe l'axe après Δz = v02/(2ω2ℓ) : zF' = ℓ + v02/(2ω2ℓ) (sans approximation : ℓ + v0/(ω tan(2ωℓ/v0))). zF' ne dépend pas de r0 : tous les électrons arrivant parallèlement à l'axe convergent au même point, qui mérite le nom de foyer image. F' est situé après la lentille et les trajectoires sont rabattues vers l'axe : la lentille est convergente. On règle la distance focale par U0 (ω2 ∝ U0, focale ∝ 1/U0) ou par la vitesse v0, c'est-à-dire la tension d'accélération Vc.
- 3.2.2.9 zF' = ℓ[1 + 1/(2(ωℓ/v0)2)] = 10−4 × (1 + 5000) ≈ 0,50 m.
💡 Résultats à retenir : Pmax ≈ 62,8 δ, Pmin ≈ 58,8 δ, A = 4 δ ; myope PR ≈ 59,5 cm, fm ≈ −59,5 cm ; hypermétrope fh ≈ +56 cm ; αℓ = 6 × 10−4 rad ; Gt1 = −50, G = 625, ρc ≈ 0,57 mm, Fi2C = 2 mm, Ge ≈ 142 ; Sd = 0,61λ/Ωn ≈ 0,21 µm, Gd ≈ 350 ; λe ≈ 12 pm ; zF' ≈ 0,50 m. À réviser pour le CNC MP : modèle de l'œil et correction des amétropies, relations de Newton et de Descartes, cercle oculaire et grossissement des instruments, diffraction de Fraunhofer par une pupille circulaire et critère de Rayleigh, relation de de Broglie, symétries et invariances en électrostatique, équations locales div/rot en coordonnées cylindriques, théorème du moment cinétique.
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