1°ES/L_Thème 2_REPRESENTATION VISUELLE chapitre 1_L’œil : système optique et formation des images

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L’ŒIL : SYSTEME OPTIQUE ET FORMATION DES IMAGES

L’Homme peut observer le monde qui l’entoure à l’aide de son organe de la vue : l’œil. Par

ailleurs, il a aussi développé d’autres appareils permettant de visualiser le monde qu’il soit flou, lointain ou petit avec des

appareils photos, des loupes, des microscopes, des lunettes … autant d’objets constitués de lentilles. Or cela n’a été

possible qu’en copiant l’œil humain. On est donc en droit de se demander :

Comment notre œil voit-il ?

Quels sont donc les lentilles utilisés dans ces appareils et peut-on modéliser notre œil avec ?

Pour cela, tout d’abord, nous mettrons en avant les conditions de visibilité des objets avant de présenter les lentilles dans

leur ensemble. Enfin, nous conclurons sur la modélisation de notre œil par certaines lentilles.

I. Conditions de visibilité d’un objet.

Document 1a : Chemins suivis par l’œil ?

Schéma 1 Schéma 2

Schéma 3 Schéma 4

Document 1b : Petit aperçu historique

Dès le Ve siècle avant J.C., les penseurs de l’Antiquité développent deux théories différentes pour la vision :

- la théorie d’intromission explique la vision comme l’entrée dans l’œil d’une image qui garde la forme de l’objet et qui

vient jusqu'à l’œil ;

- la théorie de l’émission explique la vision comme l’envoi par l’œil d’une sorte d’entité invisible dont la nature n’est

pas vraiment expliquée.

Platon conçoit lui la vision comme la rencontre d’un feu visuel émis par l’œil et d’un feu semblable qui peut provenir des

objets à la faveur de la lumière du jour.

Au IIIe siècle avant J.C., Euclide géométrise l’optique : La lumière se propage suivant des lignes droites qu’il appelle

« rayons ». Mais dans quel sens s’effectue cette propagation ?

Il faut attendre le XIe siècle, pour que le scientifique persan Ibn-Al-Haytham dit Alhazen apporte une réponse

révolutionnaire à la question du mécanisme optique de la vision : la vue, comme tous les autres sens, est le résultat de

l’action d’un agent extérieur sur un organe sensoriel. En s’appuyant sur des observations expérimentales, Alhazen explique

le processus de la vision par des rayons de lumière parvenant à l’œil à partir de chaque point objet.

Au XVIIe siècle, les travaux de Képler puis de Descartes complètent l’étude du mécanisme de la vision : les rayons de

lumière se croisent dans l’œil et forment une image renversée de l’objet au fond de l’œil, la rétine (et non au niveau du

cristallin comme le pensait Alhazen). C’est la théorie actuelle sur la vision des objets.

Inspiré de La lumière au siècle des Lumières et aujourd’hui, J-P Changeux, Ed. Odile Jacob

1- Rappeler la définition d’une source primaire et secondaire de lumière et citer des exemples.

2- Quelle est la question sur le mécanisme de la vision qui divisa pendant des siècles les savants ?

Lampe Œil Objet Lampe Œil Objet

Lampe Œil Objet Lampe Œil Objet

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3- A partir de quelle époque la réponse actuelle à cette question est-elle apportée ? Quelle est cette réponse ?

A quel(s) savant(s) est-elle associée ?

4- Parmi les propositions du document 1, laquelle correspond à la conception actuelle ?

5- Donner les deux conditions de visibilité d’un objet.

Rq : * Cette 2nde condition découle de la propagation rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène.

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II. Les lentilles.

1. Les différents types de lentilles.

Une lentille est un milieu transparent, tel que le verre, limité par deux surfaces dont l’une au moins est sphérique.

Il existe deux types de lentilles :

Au toucher : Classer les lentilles en 2 catégories A et B en comparant, pour chaque lentille, les épaisseurs au centre et au bord.

Par observation d’un texte : Poser ces lentilles sur un texte et éloigner-les du texte de quelques centimètres.

Par déviation du faisceau de rayons parallèles de lumière : Eclairer ces lentilles avec un faisceau de rayons parallèles

de lumière. (expérience réalisée par le professeur)

Compléter le tableau suivant avec vos observations :

Catégorie A Catégorie B

Nom de la lentille

Forme de la lentille, schéma et symbole

Observation d’un texte à travers la lentille

Déviation de rayons lumineux parallèles

Trajets de rayons incidents parallèles

Explication

Rq : * Le point O correspond au centre optique de la lentille.

2. Caractéristiques d’une lentille.

Document 2 : Les points caractéristiques d’une lentille convergente

Les éléments caractéristiques d’une lentille sont : le centre optique O l’axe optique D

le foyer objet F le foyer image F’ la distance focale f’

Expérience (réalisée par le

professeur)

Rayons incidents parallèles à

l’axe optique

Rayon passant par le centre

optique O

Rayons incidents passant par

le foyer objet F symétrique de

F’ par rapport à O

Schéma (à compléter avec

les éléments

caratéristiques

d’une lentille)

Conclusion

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La distance focale f ’ ………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………….

La vergence C ……………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………. .

Rq : * Plus la distance focale est courte, plus la vergence est ……………. , …………… la lentille bombée et les

rayons convergent …………………. .

* Les lentilles divergentes ont des vergences négatives ( C < 0 ).

* Les opticiens utilisent la vergence alors que les ophtalmologistes emploient la distance focale.

3. Image donnée par une lentille convergente.

Pour déterminer l’image A’B’ d’un objet AB, il suffit de tracer 2 des 3 rayons lumineux :

* ………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………

* ………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………

* ………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………

……………….……………………………………………………………………………

Et A’ se trouve à la perpendiculaire de B’ sur l’axe optique.

Rq : * Si A’B’ n’est pas dans le même sens que AB, l’image est dite renversée ; sinon, elle est droite.

* La taille et la position de A’B’ se mesure directement sur le graphique.

axe optique

F O F’

A

B

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Document 3 : Expériences : image donnée par une lentille convergente

Sur le banc optique, placer une source de lumière blanche équipée de la lettre F (objet), une lentille convergente de

distance focale f’ = 12,5 cm (notée +8 sur la monture de la lentille) et un écran (E).

Déplacer la lentille pour être dans le cas n°1 du tableau.

Déplacer l’écran pour obtenir une image nette sur l’écran et compléter le tableau.

Faire de même pour les cas n°2 et n°3.

Cas n°1 Cas n°2 Cas n°3

Distance objet-lentille 20 cm 32,5 cm 7,5 cm

L’image est-elle observable sur un

écran ?

Distance lentille-image

Taille de l’image par rapport à

l’objet

Sens de l’image par rapport à l’objet Droite / Renversée Droite / Renversée Droite / Renversée

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……………………

=

……………………

……………………

=

……………………

Modèle de l’œil réduit

III. Modèle réduit de l’œil.

Compléter le tableau et le schéma.

Où se forme, dans l’œil normal, l’image d’un

objet vu nettement ?

Conclusion : Les lentilles utilisées dans les appareils optiques permettent de copier tout simplement le

fonctionnement de notre œil puisque ce dernier est modélisable par une lentille convergente et un écran.

A partir de ce modèle, nous allons donc essayer de comprendre comme se forme l’image d’un

objet sur notre rétine, qu’il soit proche ou loin, et ce, même dans les cas de défauts oculaires.

Compétences exigibles

- Exploiter les conditions de visibilité d’un objet.

- Porter un regard critique sur une conception de la vision à partir d’un document.

- Décrire le modèle de l’œil réduit et le mettre en correspondance avec l’œil réel.

- Reconnaître la nature convergente ou divergente d’une lentille mince et les représenter symboliquement.

- Déterminer graphiquement la position, la grandeur et le sens de l’image d’un objet-plan donnée par une

lentille convergente.

L’œil est un globe de 25 mm de diamètre environ.

(1) La lumière pénètre par une ouverture circulaire appelée pupille.

(2) La dimension de l’ouverture est contrôlée par un muscle appelé iris. Grâce à ce

muscle, l’œil contrôle la quantité de lumière qu’il laisse entrer.

(3) A l’intérieur de l’œil, le cristallin (en réalité, l’ensemble {cornée-cristallin}) permet

de faire converger la lumière sur la membrane sensible à la lumière et qui tapisse

le fond du globe : la rétine. La distance focale mesure environ 17 mm.

(4) Les cellules (cônes + bâtonnets) constituant la rétine transforment alors le signal

lumineux reçu en signal électrique. L’information est alors transmise par le nerf

optique au cerveau.

L’œil est un système optique.

* Dans l’œil réel, la cornée, l’humeur aqueuse et

le cristallin sont des milieux transparents qui dévient la

lumière. Sur le fond de l’œil, au niveau de la rétine, se

forme une image inversée. L’information est ensuite

transmise par le nerf optique au cerveau qui interprète

les images.

* L’œil réduit est constitué d’un diaphragme,

d’une lentille convergente et d’un écran.

Œil réel Œil réduit Propriétés optiques

Réalise la formation de l’image d’un objet observé sur la rétine

écran

iris