L`œil et les mécanismes optiques de la vision

Thème : Représentation visuelle – Chapitre 1

1ère L/ES

Chapitre 1 : L’œil et les mécanismes optiques de la vision Notions et contenus 1 2 3 4 5 6 7

Compétences exigibles

Conditions de visibilité d’un objet Exploiter les conditions de visibilité d’un objet. Approche historique de la conception de Porter un regard critique sur une conception de la vision à la vision partir de l’étude d’un document. Décrire le modèle de l’œil réduit et le mettre en Modèle réduit de l’œil correspondance avec l’œil réel. Lentilles minces convergentes, Reconnaître la nature convergente ou divergente d’une divergentes lentille mince. Éléments caractéristiques d’une lentille Représenter symboliquement une lentille mince mince convergente : centre optique, axe convergente ou divergente. optique, foyers, distance focale. Exploiter la relation liant la vergence et la distance focale. Construction géométrique de l’image Déterminer graphiquement la position, la grandeur et le d’un petit objet-plan donnée par une sens de l’image d’un objet-plan donnée par une lentille lentille convergente convergente.

Activité 1 : Conditions de visibilité d’un objet 

L’enseignante éclaire un écran à l’aide d’un laser.

1. Qu’observe-t-on : sur l’écran ? entre le laser et l’écran ? 2. Que faut-il faire pour matérialiser le chemin emprunter par la lumière ? 

Réaliser la manipulation proposée.

3. Comment se propage la lumière dans un milieu transparent et homogène ? 4. Quel symbole utilise le physicien pour représenter la propagation de la lumière ? Comment appelle-t-on ce symbole ? 5. Quelle est la différence entre un objet lumineux et un objet éclairé ? 6. Pour un observateur, quelles sont les deux conditions qui doivent-être réunies pour qu’il puisse voir l’énoncé de cette feuille ? 7. Une source de lumière considérée comme ponctuelle est placée dans une boite comportant une paroi centrale munie d’un trou. Parmi les positions notées de A à E, où faut-il placer l’œil pour voir la source de lumière ? Justifier la réponse à l’aide de tracés de rayons lumineux.

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Activité 2 : Anatomie de l’œil La figure ci-contre représente le schéma de la coupe d’un œil. 1. Déterminer les compartiments traversés par la lumière. Pour le physicien, trois éléments de l’œil sont retenus pour modéliser un œil : la pupille, le cristallin et la rétine. 2.a Que veut dire « modéliser » pour un physicien ? 2.b Décrire sommairement les trois éléments retenus par le physicien pour modéliser l’œil. 3. Les muscles ciliaires sont indiqués sur le schéma cicontre : quelle est leur action sur le cristallin ? 4. Pour un œil sans défaut (œil emmétrope), où se forme dans l’œil l’image des objets observés ?

Activité 3 : Les lentilles Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces sphériques (ou une surface sphérique et une surface plane). On trouve des lentilles dans beaucoup d’instruments d’optiques : lunettes, lentilles de contact, loupe, jumelles, lunette astronomique, objectif d’appareil photographique… On dispose de plusieurs lentilles avec des valeurs chiffrées indiquées sur leur monture. 1. Trouver trois moyens (au minimum) pour classer ces lentilles en deux familles.  Mettre en commun les réponses en complétant le tableau suivant : Méthodes utilisées pour distinguer les deux types de lentilles

Famille 

Famille 

Lentilles …………………………………….

Lentilles …………………………………….

1/ 2/ 3/ 4/ Effet de la lentille sur la direction de propagation d’un faisceau de rayons de lumière initialement parallèles

SYMBOLE 

L’enseignante propose une quatrième méthode pour distinguer ces deux lentilles : compléter la dernière ligne une fois l’expérience réalisée.

2. L’une de ces familles correspond aux lentilles dites convergentes et l’autre aux lentilles dites divergentes. Justifier le nom de ces lentilles. 

Compléter la dernière ligne du tableau avec l’enseignante. -2-

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Activité 4 : Notion d’objet et d’image conjuguée 

L’enseignante place une bougie allumée devant une lentille.

B

A 1. Qu’observe-t-on sur l’écran disposé après la lentille ? 2. Comment expliquer la formation de la figure observée sur l’écran ? La figure obtenue sur l’écran s’appelle l’image conjuguée de la bougie obtenue à l’aide de la lentille. La bougie est appelée objet. On souhaite modéliser la situation précédente. Pour cela, on considère que les deux points extrêmes de la flamme de la bougie, notés A et B sur la photo cidessus. La bougie est alors représentée par une simple flèche orientée (cf. figure ci-dessous). 

À l’aide de quelques rayons lumineux issus de A et de B, compléter alors la modélisation suivante de la situation étudiée afin d’interpréter la formation de l’image A’B’ de la bougie sur l’écran : B A’ A

B’ Écran

Activité 5 : Modèle de l’œil réduit On rappelle le schéma anatomique de l’œil ci-dessous. 1. Rappeler les trois éléments retenus par le physicien pour le modéliser. 2. En raisonnant à partir de la forme du cristallin, par quoi le physicien peut-il le modéliser ? 3. Proposer, dans le cadre ci-dessous, le modèle de l’œil réduit et le mettre en correspondance avec l’œil réel.

Situation modélisée par

Modèle de l’œil réduit

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Correspondance entre l’œil réel et son modèle, l’œil réduit L’œil réel

  

Modèle de l’œil réduit

  

Activité 6 : Petite histoire de la vision Lire le texte suivant puis répondre aux questions : « […] De tous les temps, la lumière a fasciné l’esprit des hommes, qu’ils soient religieux, philosophes, artistes ou scientifiques. Ils lui attribuaient une dimension mystique. […] Euclide et la géométrie du regard. C’est avec les Grecs que naît la première réflexion scientifique sur la lumière. Le seul problème vraiment débattu par les différentes écoles de penseurs est celui de la perception de la lumière. Euclide (v. 300 av. J.-C.) est le premier à appliquer les mathématiques à un phénomène naturel en donnant une interprétation géométrique de la lumière, fondée sur le concept du « rayon visuel » introduit par Pythagore (v. 550 av. J.-C.). Pour Euclide, la vision résulte de rayons visuels émanant de l’œil et qui se propagent en ligne droite. Ces rayons forment un cône dont le sommet est le centre de l’œil et la base le champ du visible. […] Alhazen inverse les rayons lumineux La pensée hellénique perd de son lustre après l’annexion de la Grèce à l’Empire romain vers la fin du IIe siècle av. J.-C. et la destruction de la grande bibliothèque d’Alexandrie en l’an 389. Le flambeau de la connaissance passe à l’Empire arabo-islamique. Les grands textes grecs sont traduits en arabe. […] Le philosophe, mathématicien et astronome […] Alhazen […] développe les idées contenues dans les travaux d’Euclide et de Ptolémée […]. Selon lui, la lumière vient de l’extérieur et entre dans les yeux, et non pas l’inverse. Pour preuve : on ne peut fixer le Soleil car l’intensité de sa lumière brûle les yeux. […]. Du rôle de l’émetteur, l’œil passe à celui de récepteur. Alhazen énonce qu’à chaque point du monde extérieur correspond une seule et unique image sur le cristallin, dont il pense à tort qu’il est l’organe de la vision. Kepler, Descartes et le rôle actif du cerveau dans la vision. […] Kepler reconnaît que lieu de convergence des rayons lumineux dans l’œil n’est pas le cristallin, comme l’a cru Alhazen, ni le nerf optique comme le pense Léonard de Vinci, mais la rétine. […] Ayant réalisé des dissections anatomiques d’yeux de bœuf, et constaté une image inversée dans la rétine, Kepler avance une hypothèse révolutionnaire : nous voyons les choses à l’endroit parce que le cerveau, grâce à un mécanisme inconnu, rétablit leur vraie orientation. L’astronome est donc le premier à suggérer que le cerveau joue un rôle actif dans la vision, que nous voyons en somme à la fois avec les yeux et avec le cerveau. Le philosophe et mathématicien René Descartes (1596-1650) ira encore plus loin : l’image cérébrale que nous percevons est une version simplifiée de celle envoyée par le monde extérieur, et c’est le cerveau qui supplée à l’information manquante. » D’après Voyage au cœur de la lumière, Trinh Xuan Thuan, Ed. Découvertes Gallimard Sciences et Techniques, Mai 2008.

Questions : 1. En quoi diffère l’interprétation de la vision par Euclide et celle d’Alhazen ? 2. Qui était Kepler ? À quel(s) siècle(s) a-t-il vécu ? 3. Expliquer en quoi Kepler et Descartes ont fait évoluer l’interprétation du processus de la vision. 4. Parmi les figures ci-contre, laquelle modélise au mieux la conception actuelle de la vision d’un objet ?

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Activité 7 : Caractéristiques d’une lentille convergente Les caractéristiques d’une lentille sont les suivantes :   est l’axe optique (c’est l’axe de symétrie de la lentille).  O est le centre optique de la lentille : il correspond au centre de la lentille.  F’ est le foyer image (c’est le point image d’un point objet lointain situé sur l’axe optique).  OF’= f’ correspond à la distance focale de la lentille. 1. Compléter, avec l’enseignante, le schéma ci-dessous en représentant les caractéristiques d’une lentille convergente.

2. Compléter le schéma précédent en représentant la marche d’un rayon parallèle à l’axe optique avant et après la traversée de la lentille. Pour répondre, il est possible de s’aider du dispositif expérimental muni d’une source de lumière à rayons parallèles et d’une lentille convergente. 3. Faire de même pour un rayon passant par le centre optique. On appelle vergence, notée C, d’une lentille l’inverse de sa distance focale f’ exprimée en mètre (m). La vergence s’exprime en dioptries (dont le symbole est ). 4.a Exprimer C en fonction de f’. 4.b Recopier et compléter la phrase suivante : « Plus la distance focale d’une lentille est grande, plus sa vergence est … ». 5. Recopier et compléter la phrase suivante en s’aidant éventuellement du matériel disponible : « Plus une lentille convergente est bombée, plus sa distance focale est …….. et donc plus sa vergence est ….. ».

Exercices d’application : 6. L’oculaire d’un microscope peut avoir une vergence de C = 40 . En déduire la valeur de sa distance focale. 7. La distance entre le cristallin d’un œil emmétrope et sa rétine est d’environ 1,8 cm quand l’œil est « au repos ». 7.a Que vaut la distance focale f’ de cet œil ? 7.b Calculer la vergence C correspondante.

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Activité 8 : Détermination de la position, de la grandeur et le sens de l’image d’un objet donnée par une lentille convergente 1. Compléter les phrases suivantes :  Tout rayon passant par le centre optique O d’une lentille convergente …………………………………………………………  Tout rayon parallèle à l’axe optique ressort ……………………………………………………………………………………………………  Tout rayon passant par le foyer objet F de la lentille ……………………………………………………………………………………… 2. Soit AB, un objet diffusant de la lumière. À partir des règles précédentes, compléter, au crayon à papier, la figure suivante :



Tracer, en vert, un rayon quelconque issu de B et traversant la lentille.

Détermination expérimentale et graphique des principales caractéristiques d’une image 

Placer une lentille convergente de 8  sur un support placé sur un banc optique.

1. Calculer la distance focale f’ de la lentille.   

Mesurer la taille de l’objet notée AB. Positionner la lentille à 30 cm de la lentille. Déplacer l’écran jusqu’à obtenir dessus l’image conjuguée de l’objet éclairé. Relever la position notée OA’ de l’image ainsi que la taille de l’image notée A’B’.

2. Sur le cahier, on souhaite schématiser la situation expérimentale. Les échelles choisies sont les suivantes : Échelle horizontale : 1 cm sur le document représente à 2 cm dans la réalité ; Échelle verticale : 1 cm sur le document représente 0,5 cm dans la réalité. En tenant compte des échelles et des mesures précédentes, représenter le symbole d’une lentille convergente, ainsi que son centre optique O et ses foyers objet F et image F’, puis l’objet AB en supposant A placé sur l’axe optique. 3. À l’aide de la marche des rayons particuliers, déterminer graphiquement la position et la taille de l’image A’B’. 4. Est-ce cohérent avec les résultats expérimentaux ? -6-

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Activité 9 : Détermination graphique des principales caractéristiques de l’image conjuguée d’un objet À l’aide de construction graphique, déterminer la position, la taille et le sens de l’image conjuguée A’B’ de l’objet AB et vérifier chaque construction graphique à l’aide du matériel disponible : Cas

Construction graphique

Objet lointain

Objet proche

Objet encore plus proche

Objet dans le plan focal objet

Objet entre le foyer objet F de la lentille et son centre optique O = Cas de la loupe (à faire en DM)

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À retenir Voir fiche de synthèse dans le livre p.

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