Observer au microscope

Une cellule mesure quelques centièmes de millimètre. Ton œil, lui, ne distingue rien en dessous d'environ un dixième de millimètre. Conclusion : sans instrument, tu ne verras jamais une cellule.

Le microscope sert exactement à cela. Il ne rend pas l'objet plus grand — l'objet ne change pas — il en donne une image agrandie.

Les pièces à savoir nommer. Un microscope de collège comporte toujours les mêmes parties.

Retiens la règle qui explique tout le reste : la lumière traverse l'objet par en dessous. Voilà pourquoi la préparation doit être très, très fine — sinon la lumière ne passe pas, et on ne voit rien.

Ce qu'on observe : une préparation. On ne pose pas un objet directement sur la platine. On fabrique une préparation microscopique :

1. déposer une goutte d'eau au milieu d'une lame de verre ;
2. y déposer l'échantillon, aussi mince que possible : une pelure d'oignon, une fine coupe, une goutte de liquide ;
3. ajouter éventuellement un colorant — l'eau iodée, le bleu de méthylène — qui fait ressortir certains constituants, comme le noyau ;
4. recouvrir d'une lamelle, posée doucement en biais, pour ne pas emprisonner de bulles d'air.

Une préparation trop épaisse ne laisse pas passer la lumière : on ne voit qu'une tache sombre. La finesse compte autant que le réglage.

Le mot important : le grossissement. Le grossissement dit combien de fois l'image paraît plus grande que l'objet réel. Il se note avec le signe ×. Un ×40 signifie « quarante fois plus grand qu'en réalité ».

1. Toujours commencer par le plus petit grossissement. C'est le geste que l'on rate le plus souvent, et le plus facile à corriger.

Avec un objectif ×40, le champ observé est minuscule : tu vois une toute petite portion de la lame. Si tu commences par là, tu as toutes les chances de tomber sur une zone vide, et tu ne trouveras jamais ce que tu cherches. Pire, l'objectif ×40 descend si près de la lamelle qu'il peut la casser.

L'ordre correct est donc :

1. placer la préparation sur la platine et la maintenir ;
2. mettre le plus petit objectif — le ×4 — et faire la mise au point ;
3. déplacer la préparation pour amener au centre ce que l'on veut observer ;
4. passer alors à un objectif plus fort, et affiner la mise au point ;
5. régler la lumière : trop de lumière efface les détails, pas assez les noie dans le noir.

2. Les deux grossissements se multiplient. La lumière traverse d'abord l'objectif, qui forme une première image agrandie. L'oculaire agrandit ensuite cette image déjà agrandie. Deux agrandissements successifs, ce n'est pas une addition : c'est une multiplication.

Le grossissement total est le produit du grossissement de l'oculaire par celui de l'objectif.

En abrégé, on écrit $G$ pour « grossissement » — c'est une simple abréviation, pas un nombre inconnu à trouver.

Avec un oculaire ×10 et un objectif ×40, le grossissement total vaut $10 \times 40 = 400$, et non $10 + 40 = 50$. L'écart est énorme : c'est huit fois trop peu.

Sur un microscope de collège, l'oculaire porte en général l'indication ×5, ×10 ou ×15, et les objectifs ×4, ×10 ou ×40. Ces valeurs se lisent sur l'instrument : on ne te demandera jamais de les connaître par cœur, on te les donnera.

3. Remonter à la taille réelle. Sur une photographie prise au microscope, l'objet paraît bien plus grand qu'il ne l'est. Combien de fois plus grand ? Exactement $G_{\text{total}}$ fois.

Pour revenir de l'image à la réalité, on fait donc l'opération inverse de la multiplication : on divise.

Et si l'on connaît le grossissement total et l'oculaire, on retrouve l'objectif de la même façon : on divise le produit par le facteur connu.

4. Le dessin d'observation. Observer ne suffit pas : il faut garder une trace exploitable. Un dessin d'observation n'est pas un joli dessin ; c'est un document scientifique, et il obéit à quatre règles.

• Un titre, qui dit ce qui est observé et comment : « Cellules d'épiderme d'oignon observées au microscope ».
• Le grossissement total employé, écrit en clair : « ×400 ».
• Des légendes : des traits fins, tracés à la règle, qui ne se croisent pas, aboutissant chacun à un mot — membrane, cytoplasme, noyau.
• Une échelle, qui donne la taille réelle : un segment tracé sur le dessin, accompagné de la longueur réelle qu'il représente.

Sans grossissement et sans échelle, un dessin ne permet plus de savoir si l'objet mesurait un millimètre ou un centième de millimètre. Il devient inutilisable.

5. Ce que le microscope du collège ne montre pas. Il montre les cellules, leurs membranes, leurs noyaux et les bactéries — c'est déjà considérable. Il ne montre pas les atomes, des millions de fois plus petits. Pour aller plus loin, il faut d'autres instruments, étudiés bien plus tard.

Au laboratoire, on observe une cellule de feuille d'élodée — une plante d'aquarium — avec un microscope optique. L'oculaire porte l'indication ×10, l'objectif utilisé l'indication ×40.

Question 1 — quel est le grossissement total de cette observation ?

La lumière traverse d'abord l'objectif, qui forme une première image agrandie ; l'oculaire agrandit ensuite cette image. Les deux grossissements se multiplient.

Le grossissement total vaut donc 400. Le résultat s'écrit sans unité : « 400 fois plus grand » n'est pas une longueur, c'est un nombre de fois.

L'erreur à ne pas commettre. Additionner les deux indications donnerait $10 + 40 = 50$. Ce n'est pas le grossissement, parce que chaque lentille agrandit l'image que lui donne la précédente, et non l'objet directement.

Question 2 — sur une photographie prise dans ces conditions, cette cellule mesure 20 mm. Quelle est sa taille réelle ?

Sur la photographie, la cellule paraît 400 fois plus grande qu'en réalité. Pour revenir à la réalité, on divise par le grossissement total.

La cellule mesure donc réellement 0,05 mm, c'est-à-dire cinq centièmes de millimètre.

Vérification par l'ordre de grandeur. Est-ce vraisemblable ? Une cellule ordinaire mesure quelques centièmes de millimètre : 0,05 mm tombe exactement là. Si tu avais trouvé 5 mm, la cellule serait visible à l'œil nu — ce serait absurde, et cela signalerait une division oubliée.

Question 3 — avec un autre microscope, l'oculaire est un ×15 et le grossissement total vaut 60. Quel objectif a-t-on utilisé ?

Le grossissement total est le produit du grossissement de l'oculaire par celui de l'objectif. On connaît le produit et l'un des deux facteurs : on retrouve l'autre par une division.

L'objectif utilisé est donc un ×4, le plus faible du revolver — celui par lequel on commence toujours.

L'erreur à ne pas commettre. Soustraire l'oculaire du grossissement total donnerait $60 - 15 = 45$, qui ne correspond à aucun objectif de microscope. La relation est un produit, pas une somme : on la défait par une division, pas par une soustraction.

Question 4 — comment présenter ce travail ?

Par un dessin d'observation portant : le titre « Cellules de feuille d'élodée observées au microscope », la mention « ×400 », des légendes tracées à la règle vers la membrane, le cytoplasme et le noyau, et une échelle indiquant la taille réelle mesurée, 0,05 mm.

Réflexe d'auto-contrôle : après tout calcul de taille réelle, compare le résultat à l'épaisseur d'un cheveu, environ un dixième de millimètre. Une cellule doit tomber un peu en dessous. Un résultat en centimètres est forcément faux.

Figure (fig.biology.microscope-magnification, SVG programmatique à produire) : deux panneaux côte à côte.

• Panneau de gauche — l'instrument et le chemin de la lumière. Un microscope de collège dessiné de profil, dressé sur son pied. De bas en haut, six étiquettes reliées par des traits fins qui ne se croisent pas : « la lumière, sous la platine », « la platine, qui porte la préparation », « la préparation : lame, échantillon, lamelle », « l'objectif ×40 », « le revolver, qui porte les objectifs ×4, ×10 et ×40 », « l'oculaire ×10 ». Une flèche verticale montante, tracée en trait fort le long de l'axe de l'instrument, part de la lampe, traverse la préparation, puis l'objectif, puis l'oculaire, et se termine à l'œil de l'observateur. Deux mentions sont posées sur cette flèche, à hauteur de chaque lentille : « ×40 : première image agrandie » au niveau de l'objectif, puis « ×10 : l'oculaire agrandit cette image » au niveau de l'oculaire. En bas du panneau, isolé dans un cadre : « grossissement total : $10 \times 40 = 400$, et non $10 + 40 = 50$ ».
• Panneau de droite — de l'image à la réalité. Deux dessins de la même cellule, l'un au-dessus de l'autre. En haut, la cellule telle qu'elle apparaît sur la photographie, dessinée large, avec une double flèche horizontale sous elle portant « 20 mm mesurés sur la photographie ». En bas, la même cellule dessinée 400 fois plus petite — donc réduite à un très petit trait — avec une double flèche portant « 0,05 mm en réalité ». Entre les deux, une flèche verticale descendante étiquetée « on divise par 400 » et, en regard, une flèche verticale montante étiquetée « on multiplierait par 400 pour faire l'inverse ». Sous le tout, la mention « 0,05 mm : quelques centièmes de millimètre, l'ordre de grandeur attendu pour une cellule ».
• Distinction sans couleur. Le chemin de la lumière est un trait plus épais que tous les autres, fléché, et étiqueté en toutes lettres. Les deux tailles sont écrites en chiffres à côté de leurs flèches. Aucune information n'est portée par la seule couleur.

Ce qu'il faut lire. Le panneau de gauche montre pourquoi on multiplie : il y a bien deux agrandissements successifs, l'un après l'autre, sur le trajet de la lumière. Le panneau de droite montre dans quel sens on divise : l'image est grande, la réalité est petite. Ces deux idées suffisent à ne plus jamais se tromper d'opération.

La figure en détail : deux panneaux. À gauche, un microscope de collège vu de profil, avec ses parties légendées de bas en haut : la lumière sous la platine, la platine qui porte la préparation, la préparation faite d'une lame, d'un échantillon et d'une lamelle, l'objectif quarante fois, le revolver portant les objectifs quatre, dix et quarante fois, et l'oculaire dix fois. Une flèche épaisse suit la lumière de la lampe jusqu'à l'œil : elle traverse d'abord l'objectif, qui donne une première image agrandie quarante fois, puis l'oculaire, qui agrandit cette image dix fois de plus. Un cadre rappelle que le grossissement total vaut dix multiplié par quarante, soit quatre cents, et non dix plus quarante. À droite, la même cellule dessinée deux fois : en haut telle qu'elle apparaît sur la photographie, large, mesurée à vingt millimètres ; en bas telle qu'elle est réellement, quatre cents fois plus petite, soit cinq centièmes de millimètre. Une flèche descendante indique que l'on divise par quatre cents pour passer de l'image à la réalité.

La lettre $G$ n'est pas un nombre inconnu à trouver : c'est l'abréviation du mot grossissement, exactement comme on écrit « min » pour minute.

Domaine de validité, à ne pas sauter.

1. Les deux tailles d'un même calcul doivent être exprimées dans la même unité. Si la photographie est mesurée en millimètres, la taille réelle sort en millimètres.
2. Le grossissement n'a pas d'unité. Écrire « 400 mm » comme grossissement n'a aucun sens.
3. Ces relations valent pour un microscope optique, celui du collège. Elles ne disent rien de la netteté de l'image : un fort grossissement ne garantit pas de mieux voir, et c'est pourquoi on commence toujours par le plus faible.

Comment choisir la bonne opération.

1. On te donne l'oculaire et l'objectif, on demande le grossissement total ? Multiplie.
2. On te donne le grossissement total et l'oculaire, on demande l'objectif ? Divise le total par l'oculaire.
3. On te donne une taille mesurée sur une image et le grossissement, on demande la taille réelle ? Divise.
4. On te donne la taille réelle et le grossissement, on demande ce qu'on mesurerait sur l'image ? Multiplie.

Un contrôle qui ne coûte rien. La taille réelle est toujours plus petite que la taille mesurée sur l'image — sinon le microscope ne servirait à rien. Si ton résultat est plus grand, tu as multiplié au lieu de diviser.

1. Additionner l'oculaire et l'objectif. C'est l'erreur numéro un du chapitre. Un ×10 et un ×40 donnent 400, pas 50. La raison : l'oculaire n'agrandit pas l'objet, il agrandit l'image déjà agrandie par l'objectif. Deux agrandissements successifs se multiplient.
2. Commencer l'observation au plus fort grossissement. Avec le ×40, le champ visible est minuscule et l'on tombe presque toujours sur une zone vide ; en plus, l'objectif risque de toucher la lamelle. On commence toujours par le plus faible objectif, puis on augmente.
3. Multiplier au lieu de diviser pour la taille réelle. L'objet est petit, l'image est grande. Passer de l'image à la réalité, c'est donc réduire : on divise. Contrôle immédiat : la taille réelle doit être plus petite que la taille mesurée.
4. Donner un grossissement avec une unité. Un grossissement est un nombre de fois. « ×400 » se lit « quatre cents fois » ; « 400 mm » ne veut rien dire.
5. Oublier la légende, le titre ou l'échelle du dessin. Un dessin sans échelle ne permet plus de savoir si l'objet mesurait un millimètre ou un centième de millimètre : il ne prouve plus rien.
6. Faire une préparation trop épaisse. La lumière traverse l'objet par en dessous. Trop épais, elle ne passe pas, et l'on ne voit qu'une tache sombre. L'échantillon doit être aussi mince que possible.
7. Poser la lamelle à plat d'un coup. Cela emprisonne des bulles d'air, qui apparaissent comme des cercles très noirs et bien nets — souvent pris pour des cellules. On pose la lamelle en biais, doucement.
8. Croire qu'un plus fort grossissement montre toujours mieux. Au-delà d'un certain point, l'image devient plus grande mais plus floue. Le bon grossissement est celui qui montre ce que l'on cherche, pas le plus élevé.
9. Croire qu'un microscope de collège montre les atomes. Il montre les cellules et les bactéries. Un atome est des millions de fois plus petit : aucun microscope optique ne le montre.

Exercice type. Les trois questions ci-dessous sont exactement celles que l'exercice te posera, dans ses trois variantes : le grossissement total, le grossissement de l'objectif, et la taille réelle d'un objet observé. Toutes les indications de grossissement sont données dans l'énoncé : elles se lisent sur l'instrument, on ne te demande jamais de les connaître par cœur.

1. Au laboratoire, on observe une paramécie avec un microscope optique. L'oculaire porte l'indication ×5, l'objectif utilisé l'indication ×40. Quel est le grossissement total de cette observation ? (réponse sans unité)
2. Le microscope du laboratoire porte un oculaire ×15. En observant un grain de pollen, on lit sur la fiche du poste que le grossissement total de l'observation vaut 60. Quel est le grossissement de l'objectif utilisé ? (réponse sans unité)
3. Sur une photographie prise au microscope, une cellule d'épiderme d'oignon mesure 40 mm. La photographie a été prise avec un oculaire ×10 et un objectif ×10. Quelle est sa taille réelle, en millimètres ?

Correction.

1. La lumière traverse d'abord l'objectif, qui forme une première image agrandie ; l'oculaire agrandit ensuite cette image. Les deux grossissements se multiplient :

Le grossissement total vaut donc 200, sans unité.

Additionner les deux indications donnerait 45 : ce n'est pas le grossissement, car chaque lentille agrandit l'image que lui donne la précédente.

2. Le grossissement total est le produit du grossissement de l'oculaire par celui de l'objectif. On connaît le produit et l'un des deux facteurs : on retrouve l'autre par une division.

L'objectif utilisé est donc un ×4.

Soustraire l'oculaire du grossissement total donnerait 45, qui ne correspond à aucun objectif de microscope : la relation est un produit, pas une somme.

3. On commence par le grossissement total :

Sur la photographie, la cellule paraît 100 fois plus grande qu'en réalité. On divise donc la taille mesurée par le grossissement total :

La cellule d'épiderme d'oignon mesure réellement 0,4 mm, soit quatre dixièmes de millimètre.

Est-ce vraisemblable ? Oui, et c'est un cas particulier qu'il faut connaître : la cellule d'épiderme d'oignon est l'une des plus grandes cellules végétales, ce qui explique qu'on l'observe si facilement en classe. Une cellule ordinaire, elle, mesure quelques centièmes de millimètre.

Auto-contrôle : à chaque calcul, vérifie que la taille réelle est bien plus petite que la taille mesurée sur l'image. Si ce n'est pas le cas, tu as multiplié là où il fallait diviser.