I- Formation des images dans l œil

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1 Chap. 1 Mécanismes optiques de la vision I- Formation des images dans l œil 1- Condition de vision d un objet A quelle condition Julien peut il lire son journal? Il faut que le journal soit éclairé, qu il soit dans le champ de vision En l absence de lumière on ne peut pas lire le journal Un objet n est visible que s il est éclairé. Si le lampadaire est allumé, pourquoi Julien et Agate peuvent ils lire le journal? Un objet visible diffuse de la lumière Pourquoi Julien ne voit il pas la lampe? Un objet lumineux ou éclairé est visible si la lumière qu il envoie pénètre dans l œil de l observateur Pourquoi Philippe ne voit il pas la lampe? La porte est un objet opaque qui ne laisse pas passer la lumière Quelle est la différence fondamentale entre un objet lumineux et un objet éclairé? Un objet lumineux est une source primaire, qui produit sa propre lumière (Soleil, lampe, lave ) ; contrairement aux objets éclairés qui sont des sources secondaires, ils diffusent la lumière provenant d une autre source. 2- Comment la lumière se propage-t-elle? Quel est le chemin suivi par la lumière entre le lampadaire et le journal puis entre le journal et l'oeil de Julien? La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène Page 1 sur 10

2 II- Conditions de formation 1- Le modèle de l'œil ou œil réduit Lorsque la lumière pénètre dans l'œil d une personne que traverse-t-elle? Que rencontre-t-elle? Lorsque la lumière pénètre dans l'œil d'une personne, elle traverse tout d'abord l'ensemble pupille-iris puis le cristallin et elle rencontre enfin la rétine. Cristallin Rétine Pupille Iris Pour le physicien, l œil est constitué de trois parties principales : L'ensemble pupille-iris qui joue le rôle de diaphragme (ouverture circulaire de diamètre variable) ; Le cristallin qui joue le rôle de lentille; La rétine qui joue le rôle d'écran. Le rôle de ces trois organes nous permet d'établir une analogie entre l'œil et un instrument d'optique que l'on nommera œil réduit. Pour constituer l'œil réduit nous utilisons une ouverture circulaire, une lentille convergente et un écran situé dans le plan focal image de la lentille. Cristallin = lentille Rétine = écran Pupille = ouverture circulaire 2- Formation de l'image rétinienne Observer un objet lointain, visible des fenêtres de la salle de classe, au travers de l'oeil réduit. Observations: On observe sur la rétine une image nette mais renversée L œil normal voit nettement les objets éloignés. L image est nette et renversée. III- Lentilles 1- Qu'est-ce qu une lentille? Qu'est ce qu'une lentille? Où trouve t on des lentilles? Une lentille est un bloc transparent en verre ou en plastique dont au moins une face n est pas plane, on les trouve dans les instruments d optique (lunette, loupe, appareil photos ) Page 2 sur 10

3 2- Qu'est-ce qui différentie les lentilles entre elles? a) Au toucher Prendre diverses lentilles entre ses doigts et essayer de les classer en comparant, pour chaque lentille, les épaisseurs au centre et au bord. Observations Il y a des lentilles à bords épais et d autres à bords fins Conclusion Il y a deux types de lentilles : convergentes et divergentes. - convergentes à bords minces - divergentes à bords épais b) Par déviation d un faisceau lumineux Les expériences de cette partie sont réalisées, sur un tableau magnétique blanc, à l'aide d'une source lumineuse pouvant délivrer un faisceau de rayons lumineux parallèles et de lentilles Faire arriver un faisceau de rayons lumineux parallèles sur une lentille de chaque type. Observer les rayons qui émergent de ces lentilles. Observations Conclusion Une lentille à bords minces provoque la convergence du faisceau, plus une lentille est bombée, plus elle est convergente. Une lentille à bords épais provoque la divergence du faisceau c) Par observation d un texte Observer un texte posé sur la table au travers d'une lentille convergente puis au travers d'une lentille divergente. Observations La lentille convergente permet d agrandir le texte La lentille divergente rétrécit le texte. Remarque : Nous nous limiterons dorénavant à l'étude des lentilles convergentes 3- Quelles sont les caractéristiques d'une lentille convergente? Page 3 sur 10

4 Expérience a) Centre optique Conclusion: Tout rayon passant par le centre optique n est pas dévié L axe optique est la droite perpendiculaire à l axe de la lentille b) Foyers et distance focale Expérience: Observations : Les faisceaux convergent tous au même point F appelé foyer image de la lentille Conclusion: Tout rayon parallèle à l axe optique ressort par le foyer image OF = f est la distance focale de la lentille Page 4 sur 10

5 Observations: Il existe une position particulière pour laquelle le faisceau lumineux émerge parallèlement à l axe optique de la lentille. Un faisceau lumineux provenant d un point F tel que FO = OF = f émerge parallèlement à l axe optique Le point F est appelé foyer objet de la lentille f =- f est appelée aussi distance focale 4- Comment mesurer la distance focale d'une lentille convergente? Placer la source lumineuse et l'écran aux deux extrémités du banc d'optique. Fixer la lentille sur le cavalier et la rapprocher au maximum de l'écran. Eloigner la lentille de l'écran en observant la tache lumineuse recueillie sur l'écran. Lorsque l'image est nette, mesurer la distance écran-lentille. Observations : Il existe une seule position de la lentille pour laquelle l image de la source lumineuse formée par la lentille est nette. On note d = 25 cm La distance focale de la lentille est f = 25 cm 5- Comment les opticiens classent-ils leurs lentilles? Les opticiens n'utilisent pas la distance focale mais utilisent plus volontiers la vergence C. Quelle est la relation entre la distance focale et la vergence? 1 Pour une lentille convergente : C = > 0 f ' Pour une lentille divergente : C = 1 < 0 f ' C : vergence en m -1 ou encore en dioptrie (δ) f : distance focale en mètre (m). IV. Quelles sont les caractéristiques de l'image d'un objet au travers d'une lentille convergente? Expérience: On utilisera un banc d'optique, ses accessoires et une lentille convergente +8δ. Page 5 sur 10

6 Placer l'objet lumineux en un point A à la distance OA de la lentille. Déplacer l'écran de façon à avoir une image nette et compléter le tableau suivant : Taille de l'objet AB (cm) Position de l'objet OA (cm) Position de l'image OA'(cm) Taille de l'image A'B'(cm) Sens de l'image inversée inversée inversée Une lentille convergente donne une image renversée si l objet est placé avant le foyer objet. Cette image est plus grande ou plus petite que l objet, cela dépend de la position de l objet par rapport à la lentille Page 6 sur 10

7 V. Comment construire l'image d'un objet? En utilisant la «méthode des trois rayons», réaliser les constructions géométriques relatives aux 3 cas précédents : Schéma 1 : Objet entre l infini et le foyer et AO > 2 f L image est renversée plus petite que l objet 1 γ < 0 Schéma 2 : Objet entre l infini et le foyer et f < AO < 2 f L image est renversée plus grande que l objet γ 1 Schéma 3 : Objet entre le foyer objet et la lentil le On voit l image mais on ne peut pas la former sur un écran, l imag e est droite et «imaginaire», elle est située en avant de la lentille dans le prolongement des rayons émergents. C est la loupe. VI. Une vision nette 1. L'accommodation De quoi s agit-il? Observer, au travers de l'œil réduit, un objet placé à environ 50 cm. Page 7 sur 10

8 Observations: On observe une image renversée et floue. Pour observer une image nette on est obligé d injecter de l eau dans le cristallin ce qui modifie sa distance focale. L œil normal voit nettement les objets proches, des muscles agissent sur le cristallin, sa courbure change ainsi que sa distance focale. On dit que l œil accommode. L'oeil permet-il de voir nettement un objet à n'importe quelle distance? A cette question, Léonard de Vinci donnait la réponse suivante : «Si l'oeil doit voir une chose de trop près, il ne peut pas bien la juger, comme il arrive à celui qui veut voir le bout de son nez. Donc en règle générale, la nature enseigne qu'on ne verra pas parfaitement une chose si l'intervalle qui se trouve entre l'oeil et la chose vue n'est pas au moins de la grandeur du visage.» Quelle est la réponse de Léonard de Vinci? L œil ne peut pas voir nettement les objets très proches. Conclusion: Un œil normal peut voir nettement des objets situés entre l infini (Ponctum Remotum) et une distance minimum de vision distincte (PP) en accommodant de + en +. Remarque : L'oeil normal n'accommode pas pour voir des objets éloignés. Nous pouvons regarder longtemps un paysage éloigné sans ressentir aucune «fatigue» ce qui n'est pas le cas si nous regardons longtemps un petit objet très proche. 2. Le rôle de la pupille A quoi sert la pupille? La pupille joue le rôle de diaphragme, elle permet de contrôler l intensité lumineuse arrivant sur la rétine afin de la prolonger. Elle permet également d' augmenter la netteté de l'image. 3. Pouvoir séparateur Pour que la rétine puisse séparer les images, il faut que la lumière provenant de deux points lumineux excite deux cellules séparées par au moins une cellule non excitée. On appelle pouvoir séparateur de l'oeil, l'angle α sous lequel deux points lumineux peuvent être vu séparés. Expérience On accroche la mire à un mur de la salle. Un élève s'éloigne progressivement de cette mire jusqu'à ce que son oeil n'arrive plus à séparer deux lignes noires successives. On mesure la distance D séparant la mire de l'élève. Page 8 sur 10

9 Conclusion AB α = D α : pouvoir sépa rateur en radian (rad) D : distance mire-oeil en mètre (m) AB: distance séparant deux lignes de la mire en mètre (m) VII. Les défauts de la vision 1. La myopie Quels sont les défauts de vision d'une personne myope? Réaliser sur le tableau magnétique un oeil myope. Observations : L image d un objet éloigné se forme avant la rétine. Le cristallin est trop convergent. Sa distance focale est trop courte pour sa profondeur. le PR n est pas à l infini Quel type de lentille utilise-t-on pour corriger la myopie? On utilise une lentille divergente. Expérience Réaliser sur le tableau magnétique un oeil myope corrigé. Observations : Voir schéma Conclusion: On corrige la myopie avec une lentille divergente, on éloigne l image. Remarque : La myopie peut également être corrigée par une opération chirurgicale au laser qui vise à réduire la courbure du cristallin et donc la convergence de l'oeil. Page 9 sur 10

10 2. L hypermétropie Quels sont les défauts de vision d'une personne hypermétrope? Réaliser sur le tableau magnétique un oeil hypermétrope. Observations : L image se forme en dehors de la rétine Le cristallin n est pas assez convergent, la distance focale est trop grande par rapport à la rétine. Quel type de lentille utilise-t-on pour corriger l'hypermétropie? On utilise une lentille convergente. Réaliser sur le tableau magnétique un œil hypermétrope corrigé. Observations : Voir schéma La lentille convergente permet de former une image plus proche. 3. La presbytie Quels sont les défauts de vision d'une personne presbyte? Elle voit flou ou mal les objets proches mais bien les objets éloignés. A quoi est d ue la presbytie? La presbytie est due au vieillissement des muscles d accommodation et le manque de souplesse du cristallin. Aux environs de 1510, Léonard de Vinci, qui étudiait les phénomènes optiques et les lentilles, écrivait «En ce qui concerne les lunettes des personnes de plus de cinquante ans, plus on les éloigne de l'oeil, plus elles montrent des objets agrandis. Si l'oeil voit deux choses égales si on les compare, l'une hors de la lunette, l'autre dedans, celle de la lunette semblera plus grande et l'autre plus petite. Mais les choses contemplées doivent être éloignées de l'oeil de plus de 200 brasses*.» * Une brasse est une ancienne mesure de longueur valant 5 pieds, le pied valant 0,3248 m. Quel type de lentille utilise-t-on pour corriger la presbytie? On utilise des lentilles convergentes. Page 10 sur 10