I) Le Microscope

                                                                I.            Le microscope

A. Son histoire

''L'oeil" de Néron

Le microscope est un instrument optique qui, grâce à ses nouvelles techniques, toujours plus performantes, a permis de faire des recherches pour soigner de plus en plus de maladies, il a également permit de connaitre et de observer les cellules, celle qui composent notre organisme, observer l’intérieur des êtres vivants. Rappelons que le microscope est fait de lentille.

Pourtant, les lentilles comme nous les connaissons aujourd'hui ont une histoire qui remonte jusqu'à la plus haute antiquité, nous pouvons l'affirmer par une lentille de cristal de roche retrouvée dans les ruines de Ninive. D'après ce qu'on raconte, en -700 Néron, Empereur Romain, étant lui-même myope, contemplait les spectacles des gladiateurs à travers d'une émeraude polie, elle était donc une lentille concave. On sait aussi que le précepteur de Néron, Sénèque, parlait déjà du pouvoir grossissant des boules de verre remplies d'eau. On prétend également que plusieurs ouvrages contenant des calligraphies très petites ne 

                ''L'oeil" de Néron                                    pouvaient pas être lus sans l'usage de loupes.

Il faut en revanche attendre jusqu'au XIIème siècle pour qu’Alhazen Ben Alhazen mentionne à son tour le pouvoir grossissant des lentilles plan-convexes, mais c'est en 1290 que ce signalement est appliqué lorsque Roger Bacon, maitre de l'université d'Oxford remarque que l'utilisation de ces lentilles pourrait corriger les défauts de l'œil, et c'est à ce moment-là que se répand l'usage des lunettes pour corriger la vue.

Il était de ce fait déjà possible d'observer des objets par l'intermédiaire de lentilles, pourtant, nous commençons à parler de microscopie simple, c'est-à-dire, la loupe ou les lentilles convergentes à la fin du XVIème siècle. Les loupes sont rapidement utilisées pour observer la nature, Hufnagel publie en ouvrage en 1592 où il fait des observations d'insectes avec celles-ci. D'un point de vue scientifique la microscopie voit le jour lors de l'invention du microscope composé, formé de deux groupes de lentilles. Il est pourtant difficile de dire qui a inventé le microscope composé, certains attribuent cette invention aux hollandais Hans et Zacharia Janssen qui affirment au XVIIème siècle avoir créé le premier microscope, pourtant, ce dernier n'est né qu'en 1590. Ils découvrent les qualités de l'association de plusieurs lentilles, cette remarque est ensuite reprise par Fontana et Drebbel entre 1618 et 1621.

C'est ainsi qu'à cette même époque Galilée construit un microscope pour se faire une lunette: un occhiolino. Cet objet était composé d'une lentille convexe et d'un autre concave.

En 1645 on adopte finalement le nom de "microscope" par Demisiano, après que Boreel ait utilisé ce terme. Robert Hooke s'en inspire pour publier son traité intitulé Micrographia en 1667, où il présente un microscope à trois lentilles en verre coulé qui aurait la forme classique que nous connaissons aujourd'hui avec une table pour porter l'objet, un système d'éclairage, et avec une lentille convexe qu'il utilisait déjà pour observer des cellules végétales.

Le microscope connait de nombreuses améliorations mécaniques au XVIIIème siècle par son mécanisme de mise au point, ses objectifs, et plusieurs types de platines afin d'avoir plusieurs spécimens et pour avoir un meilleur éclairage. À  la fin de ce siècle, des platines mécaniques permettent de déplacer l'objet dans deux directions.

Leeuwenhoek et Delft publient une recherche sur le microscope de 1632 à 1723, ce premier fit des expériences en utilisant un grossissement particulier pour chaque microscope, ce qui lui permit d'être le premier à décrire les bactéries, et l'espèce des bactéries de la cavité buccale, qu'il appelait "levende dierken". Il fait aussi des dessins sur la puce qui sont remarquables pour son époque. Van Leeuwenhoek est généralement présenté comme l'inventeur du microscope, mais il est l'inventeur de la microscopie. Grace à des loupes, ou parfois des verres, il publie en 1673 de nombreuses observations où il décrit les spermatozoïdes, l'œil, les protozoaires, la bouche ou même les globules du sang, il met aussi en évidence les fibres nerveuses, les cellules et la structure des poils. Ses recherches ont accumulé un total 247 microscopes et 419 lentilles. Il attire l'attention des biologistes grâce à ses recherches et à ses microscopes artisanaux: ils étaient simples et petits, les systèmes à plusieurs lentilles, difficiles à régler ont du attendre 150 ans de développement optique avant que le microscope composé ait une image proche de celle qui était offerte par celui de Leeuwenhoek. Antoni Van Leeuwenhoek parvint à obtenir un grossissement de 50 jusqu'à plus de 200. Il réussit également grâce à cet instrument très simple à décrire des globules rouges, même si cette découverte ne fut reconnue que quelques années plus tard.

Image 2 Le microscope de leewenhoek

Cette invention unique qui permettait de voir "l'invisible" a permis d'élaborer la théorie selon laquelle les maladies sont dues à des germes: c'est le début de la bactériologie. Christian Huygens est une autre figure qui fut un grand pas pour le progrès du microscope, à la fin du XVIIème siècle il développe à oculaire simple composé de deux lentilles parfaites, celui-ci est de nos jours encore fabriqué, malgré ses défauts. Ce microscope représentait un grand progrès pour le développement des microscopes.

Il a fallu attendre jusqu'au XIXème siècle pour que les microscopes soient modifiés, ce qui a permis plusieurs découvertes scientifiques. En 1882, l'allemand Robert Koch voit des Mycrobacterium tuberculosis grâce à sa technique de coloration, c'est-à-dire des bactéries responsables de la tuberculose, elles ont ensuite pris le nom de "bacile de Koch". En revanche, cette technique fut inventée en 1883 par le bactériologiste danois Hans Christian Gram.

À la moitié du XXème siècle la microscopie voit un nouveau jour grâce à la microscopie électronique inventé en 1932 en Allemagne par Ernst Ruska et Max Knoll qui permettait d'obtenir un grossissement jusqu'à 2000 fois, ce qui a permis de voir des microorganisme avant inconnus.

    De nos jours, la microscopie ne cesse d'évoluer, nous voyons l'apparition des microscopes à balayage qui ont permit d'examiner des objets en trois dimensions tout en les examinant vivants en utilisant des électrons plutôt que de la lumière.

Les microscopes qui ne cessent d'évoluer nous permettent aujourd'hui de progresser de façon plus rapide en découvrant des microorganismes dont on ne soupçonnait pas l'existence.

B. La partie théorique du microscope

      Le microscope est principalement muni de l'objectif qui donne une image réelle, inversée et agrandie et de l'oculaire qui, unis par un tube, permettent de grossir l'image d'un objet de petite dimension, d'un dispositif d'illumination puis d'une table de l'objet et d'un trépied pour y placer tous ces objets qui forment le microscope. Cet instrument optique, utilisé en biologie permet d'observer des détails ou des objets très petits tels que des cellules, des tissus, ou d'examiner la structure d'un métal ou d'un mélange à l'œil nu.

Image 3 Schéma détaillé d'un microscope

Plusieurs scientifiques nous ont permis au cours du temps d'expliquer ce phénomène grâce à leurs recherches.

Nous nous intéresserons premièrement aux trois systèmes optiques convergents: le miroir sphérique concave qui permet d'éclairer l'objet observé, l'objectif, de très courte distance focale, qui attribue le grandissement noté g₁, et l'oculaire qui joue le rôle de loupe qui attribue le grossissement G₂.

Lorsque nous allons observer un objet, nous plaçons notre œil sur l'oculaire et l'objet sous l'objectif, la distance constante qui sépare les deux systèmes optiques est l'intervalle optique notée D. Dans le microscope, l'image observée à travers l'objectif constitue l'oculaire. Afin d'obtenir plusieurs grossissements, les microscopes sont généralement constitués de plusieurs objectifs ou de plusieurs oculaires, pour avoir une image nette et précise, il faut changer la vis micrométriques, c'est-à-dire, le dispositif qui permet d'obtenir des microdéplacements. Celui-ci est composé d'un filet situé à droite ou à gauche de pas différents voisins notés P et P', ce déplacement L répond à cette formule:

Nous pouvons schématiser le microscope en associant deux lentilles convergentes fixes unes à unes dans le même axe optique noté D', nous avons ensuite l'objectif noté L₁ qui va agrandir et renverser l'image qui sera notée A₁B₁. L'oculaire L₂ qui joue le rôle de la loupe va ensuite donner l'image définitive A'B', qui est une représentation agrandie de l'image virtuelle A₁B₁.

Image 4 Schéma de ce que l'oeil va observer en s'accomodant

On remarque que si l'œil n'accommode pas, l'image est à l'infini.

Le grossissement standard G du microscope est lorsque l'image A'B' est à l'infini, il admet la formule suivante:

Soit q', exprimée en radian, l'angle pour lequel l'image A'B' est perçue à travers le microscope et soit q, exprimé en radian, l'angle pour lequel l'objet est vu lorsque l'objet est placé à une distance minimale d_m (punctum proximum, environ 25cm).

Nous pouvons aussi noter que           

                                                      

 Grace aux deux formules suivantes, nous pouvons conclure que le grossissement admet aussi la formule suivante:

Pour calculer la valeur absolue du grandissement de l'objectif, on applique la formule suivante:

En remplaçant cela nous conduit donc à la formule suivante:

Cette relation peut aussi se faire en sachant que la formule de grandissement de l'objectif g₁ est:

L'image définitive située à l'infini qui a pour grossissement G₂ se note:

Finalement, nous pouvons donc avoir une autre relation pour le grossissement standard, donnée en mètre grâce à cette formule:

Ces formules nous permettent donc de définir le grandissement, le grossissement et le grossissement standard du microscope, afin de mieux comprendre l'image perçue par l'œil humain, grâce au microscope.

          C) Expérience sur un banc Optique.

Nous avons réalisé une expérience sur banc optique permettant de simuler et comprendre le fonctionnement du microscope de manière simple.

Nous avons obtenu les mesures suivantes:

f’1 = 10 cm, f’2 = 12,5 cm et enfin O1O2 (distance entre O1 et O2) = 40 cm 01A=15 cm.

Nous avons tout d’abord calculé ∆. Pour cela nous avons additionné les deux distances  focales des deux lentilles donc 22,5 cm. Et ensuite comme  ∆ est la distance entre f’1 et f’2 alors  ∆= 40 (distance entre les deux lentilles) – 22,5 = 17,5 cm

Généralement  ∆ se situe entre 16 et 18 cm. 

 Ensuite nous avons calculé le grandissement

δ  =  

A1B1 C'est l'image inversée et agrandie, l’image virtuelle

5,6 x10^-2 rad

Nous avons placé sur le banc optique une lampe à la marque 0 du banc optique, la lettre à la marque 5cm du banc optique, une lentille +100 (f’1) à 20 cm, une autre +125 (f’2) à 60 cm et enfin un écran à 68,5cm.

Ensuite nous avons calculé le Grandissement théorique (avec nos mesures c'est-à-dire ∆=17,5 ; f’₁=m et f’₂= m)

 Ensuite nous calculons notre grandissement expérimental avec la Formule :

           

Finalement notre grandissement expérimental et égal au théorique mais il a fallut refaire plusieurs fois les mesures à cause d’un taux d’incertitude dans les mesures.

D. Réalisation de la maquette

En nous aidant d'une vidéo nommée "Turn your smartphone into a digital microscope" (transformez votre téléphone intelligent en un microscope numérique), nous avons réalisé notre microscope après plusieurs mois de recherches du matériel nécessaire. Nous avons eu besoin d'une planche en bois de 20x20cm, de deux plexiglas de 20x5cm et de 20x20cm, nous avons eu ensuite besoin de trois vis, six écrous, deux écrous ailés et de cinq rondelles plates.

Premièrement, nous avons coupé les deux bouts de plexiglas afin que le premier ait la même dimension que la planche en bois et l'autre 20x5cm pour qu'il soit assez grand pour placer l'objet que nous voulons observer. Lorsqu'elles ont été prêtes nous les avons superposées avec la planche en bois pour pouvoir les percer en même temps et au même endroit avec la perceuse. Lors de la réalisation, le plexiglas de 20x20cm s'est brisé et nous avons dû recommencer à couper un deuxième morceau. Nous avons finalement réussi et nous avons donc pu commencer à monter notre maquette, après avoir placé la lentille sur la plaque de plexiglas la plus grande.

Nous avons premièrement mis les trois vis sur la planche en bois, en les maintenant stables grâce à une rondelle sur chaque vis, ainsi que trois écrous. Lorsque nos vis ont été stables, nous avons pu mettre deux écrous ailés suivis de deux rondelles dans les vis frontales. Grace à ce montage nous avons pu ensuite mettre la première plaque de plexiglas de 20x5cm, afin de pouvoir maintenir stable la deuxième plaque nous avons dû ajouter un écrou sur chaque vis.

Nous avons donc pu terminer notre maquette, et nous sommes passés à l'expérience en mettant le téléphone sur la plaque de plexiglas. Nous avons observé  une pièce de  monnaie  et visualisé un cheval dessiné dessus.

Notre microscope semblait donc fonctionner, ce qui nous a permis d'observer plus d'objets tels qu'une feuille ou un oignon.

Le grandissement de notre microscope est de 7. Pour le savoir nous avons tracé un trait de 5 mm et sur notre microscope il mesurait 3.5 cm.

Grace à l’avancement du microscope qui permettait de voir des choses de plus en plus petite, les scientifiques se sont intéressés au monde des cellules avec la théorie cellulaire.

Voici la vidéo faites: https://www.youtube.com/watch?v=K7GF8m6OCgE