Lunette afocale, détermination du diamètre de Jupiter, bac Centres étrangers 2022.

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La distance entre la Terre et Jupiter étant connue, il est possible de déterminer son diamètre D si on connait son diamètre apparent aJ vu à l'oeil nu depuis la Terre.
On note a l'angle sous lequel on voit l'objet à l'oeil nu.
On note a' l'angle sous lequel on voit le même objet à travers la lunette.
. Q1. Rappeler la définition du grossissement G d'une lunette.
G = a' / a.

Observations de Jupiter par Huygens en 1684.
Il estime le grosissement de sa lunette à 164. Avec ce grossissement il voyait Jupiter à travers la lunette deux fois plus gros qu'il ne voyait la Lune à l'oeil nu. Le diamètre apparent de la Lune étant connu, il put estimer que celui de Jupiter était environ aJ = 10-4 radian.
Q2. Montrer que aJ = 2 aL / G.
aL : diamètre apparent de la Lune.
" il voyait Jupiter à travers la lunette deux fois plus gros qu'il ne voyait la Lune à l'oeil nu "
G aJ =2aL ; aJ = 2 aL / G.
Huygens connaissait la valeur du diamètre apparent de la Lune à l'oeil nu. aL = 8,7 10-3 rad.
 Q3. Montrer que l'on retrouve la valeur du diamètre apparent de Jupiter trouvé dans un premier temps par Huygens.
aJ = 2 aL / G = 2 x8,7 10-3 / 164 ~1,1 10-4 rad.

On modèlise la lunette par l'association d'une lentille convergente L1 de grande distance focale f '1 appelée objectif et d'une lentille convergente L2 de petite distance focale f '2, appelée oculaire. Le foyer image F'1 coîncide  avec le foyer objet F2 de L2.
On considère un objet AB situé à l'infini représentant Jupiter.
Q4. Indiquer où se forme l'image intermédiaire A1B1 de l'objet AB formé par l'objectif. Justifier que l'ensemble des deux lentilles constitue un système afocal.
Objectif : l'image A1B1 d'un objet à l'infini se trouve au foyer image F'1.
Oculaire :
A1B1 joue le rôle d'objet pour L2.
Le foyer image F'1 coîncide  avec le foyer objet F2 de L2.
L'image d'un objet situé au foyer objet, se trouve rejetée à l'infini.
Lunette : l'image d'un objet à l'infini se trouve à l'infini : le système est donc afocal.

. Q5. Construire l'image intermédiaire A1B1.

Q6. Représenter le faisceau émergent issu de B délimité par les deux rayons incidents déja tracés, et traversant la lunette.


 Q7. Exprimer G en fonction de f '1 et f '2.
Triangle O1A1B1 : tan a ~ a =A1B1 / f '1.
Triangle O2A1B1 : tan a' ~ a' =A1B1 / f '2
Par suite G =
a' / a.= f '1 / f '2.

Application à la lunette de Huygens.
f '1 = 10,35 m ; f '2 = 63 mm.
 Q8. Expliquer le calcul effectué par Huygens pour obtenir aJ à partir de la taille de l'image intermédiaire. ( taille de l'image intermédiaire 2 mm).
aJ = A1B1 / f '1 =2 10-3 / 10,35 ~ 2 10-4 rad.
Q9. Calculer le grossissement de cette lunette et expliquer pour quelle raison la première détermination de aJ ~ 10-4 rad est peu précise.
G =
f '1 / f '2 =10,35 / (63 10-3) ~1,6 102.
Huygens insère au niveau de l'image intermédiaire de Jupiter créée par l'objectif, un petit repère afin de mesurer la taille de cette image.
Connaissant de plus la distance focale de l'objectif, il détermine expérimentalement, avec précision, le diamètre apparent de Jupiter.
La première mesure du diamètre apparent de Jupiter est une estimation à partir du diamètre apparent de la lune.
Q10. La distance Terre-Jupiter étant d = 7,80 108 km, calculer la valeur D du diamètre de Jupiter.
aJ = D / d ; D =7,80 108 x 2 10-4 ~1,6 105 km.



  
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