THEME 1: OBSERVER. Chapitre 1 : Lentilles minces, œil et images

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1 THEME : OBSERVER Chapitre : Lentilles minces, œil et images I. Le modèle des lentilles minces a. Présentation Une lentille est un objet transparent et homogène dont au moins l une des faces n est pas plane. Lorsque les rayons lumineux arrivent sur la lentille, ils sont réfractés Si la lentille est plus mince aux bords qu au milieu, elle est convergente, sinon elle est divergente. b. Caractéristiques d une lentille mince Une lentille est caractérisée par sa distance focale f. elle s exprime en mètre (m) Les opticiens utilisent plutôt la vergence C qui s exprime en dioptries avec C= f Le centre de la lentille est le centre optique O. Le point où convergent les rayons lumineux est le foyer image F ; Le point symétrique de F est le foyer objet F On oriente l axe optique dans le sens de propagation de la lumière (généralement de gauche vers la droite) Les "distances", suivant leurs sens, peuvent alors être positives ou négatives. On parle alors de grandeurs algébriques (distances avec un signe). Exemple : F est avant la lentille donc OF <0 à l inverse, OF >0 c. Image d un objet à travers une lentille convergente (voit tp ) II. Constructions graphiques de l image d un objet à travers une lentille convergente a. marche des rayons lumineux. Le rayon incident qui passe par B et qui arrive parallèlement à la lentille émerge en passant par F 2. Le rayon incident qui passe par B et qui passe par O n est pas dévié 3. Le rayon incident qui passe par B et qui passe par F, ressort parallèlement à l axe optique 4. Tout rayon qui passe par B ressort en passant par B

2 b. Caractéristiques d une image On peut déterminer sa position par rapport l objet (droite ou inversée) sa taille (plus petite ou plus grande, et sa mesure) et si elle réelle ou virtuelle: Lorsque l objet se trouve avant le foyer image, l image est visible sur un écran, on dit qu elle est réelle On remarque que l image est inversée. Lorsque l objet se trouve entre le foyer objet et le centre optique, l image n est pas visible sur un écran, on dit qu elle est virtuelle. L image est visible si l on place son œil après la lentille, c est le principe de la loupe. c. Image d un objet situé à l infini L image d un objet situé «à l infini» se forme dans le plan focal image de la lentille : plan orthogonal à l axe optique et contenant le foyer image de la lentille III. Le fonctionnement de l œil et son modèle réduit L'oeil humain est un globe pratiquement sphérique d'environ 25 mm de diamètre. Il est entouré à l'extérieur par une membrane résistante et protectrice : la sclérotique. La membrane interne est la rétine qui tapisse la partie arrière du globe et se prolonge par le nerf optique. Elle est constituée de plusieurs couches de cellules nerveuses dont certaines sont sensibles aux radiations dans un domaine de longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 800 mn (lumière visible) : les cônes et les bâtonnets. La cornée est la partie transparente de la sclérotique située à l'avant de l'oeil. Le cristallin est une capsule élastique transparente dont la courbure des faces se modifie sous l'action des muscles ciliaires. L'humeur aqueuse et l'humeur vitrée sont des liquides transparents qui complètent la rigidité du globe oculaire. La pupille est l'ouverture centrale de l'iris, partie colorée de l'oeil. Son diamètre peut varier de 2 à 8 mm en fonction de la luminosité. Formation d'une image et modèle optique Les rayons de lumière qui pénètrent dans l'oeil traversent les différents milieux transparents et sont réfractés à l'entrée et à la sortie de la cornée et du cristallin. Les rayons ainsi déviés convergent sur la rétine sur laquelle se forme l'image de l'objet. La lumière entrant dans l'oeil est régulée par l'iris qui adapte la taille de la pupille à. Analyse du document a. Quels sont les milieux transparents traversés par les rayons de lumière qui pénètrent dans l œil? Où se produisent les changements de direction de ces rayons? b. Quel est le rôle de l iris? Comment varie le diamètre de la pupille quand la luminosité augmente? c. Quel est le rôle de la rétine? d. Observe le modèle optique de l œil réalisé au tableau. Quel élément de l œil est associé à la lentille? À l écran? Au diaphragme? 2. Interprétation a. Réalise un schéma du modèle optique. Analyse du document a. La cornée, Le cristallin, l humeur aqueuse et l humeur vitrée. Les rayons sont déviés à l entrée et à la sortie de la cornée et du cristallin b. l'iris adapte la taille de la pupille à la luminosité. Quand la luminosité augmente, le diamètre de la pupille diminue

3 c. Sur la rétine se forment l image des objets d. lentille cristallin À l écran la rétine Au diaphragme la pupille/iris 2. Interprétation a. b. La distance focale peut être modifiée: le cristallin se bombe CONCLUSION: Œil réel Œil réduit rôle pupille diaphragme Limiter la quantité de lumière cristallin Lentille convergente de vergence variable Réfracte les rayons lumineux rétine écran L endroit où se forment les images pour être vues nettement IV. Relation de conjugaison et grandissement. a. Relation de conjugaison des lentilles minces b. Relation de conjugaison. Avec OA, OA, OF et OF en mètre. - = avec =C OA OA OF OF Exemple : Trouver la position de l image OA d un objet de hauteur 2 cm situé à 7cm à gauche d une lentille de distance focale 2,0 cm - OA OA = OF = OA + OF OA =OF +OA OF OA OA = OF OA OF +OA =2,0 ( 7) 2,0 7,0 =2,8 cm b. Relation de grandissement Le théorème de Thalès appliqué aux triangles semblables OAB et OA B nous permet d écrire :

4 OA B OA =A AB =OB OB On définit alors le grandissement = OA Pour l exemple précédent : = OA OA =2,8 B OA =A AB =-0,4 et 7 A = B =- AB 0,4 X 2,0= -,8 cm V. L œil et l appareil photographique : deux systèmes optiques convergents. Lorsque l œil observe un objet à l infini, l image se forme dans le plan focal du cristallin : il est alors au repos. Comment l œil et l appareil photographique obtiennent-ils des images nettes d objets à différentes distances? voir TP n 2 Œil réel Appareil photo rôle pupille diaphragme Limiter la quantité de lumière cristallin Objectif (Lentille convergente ) Réfracte les rayons lumineux rétine capteur L endroit où se forment les images pour être vues nettement Pour voir nettement un objet proche L œil accommode : il modifie sa vergence grâce aux muscles ciliaires qui modifient la forme du cristallin Effectue une mise au point : il modifie la position de la lentille

5 Remarques : Au-delà d un point appelé ponctum proximum., l œil ne peut plus accommoder, l objet est trop proche. Avec l'âge, ce point recule, c est la presbytie. Un œil myope est un œil trop long : les rayons lumineux se croisent avant la rétine, on dit aussi qu il est trop convergente (il est corrigé par des lentilles divergentes) Un œil hypermétrope est un œil trop court : les rayons lumineux se croisent après la rétine on dit aussi qu il n est pas assez convergent (il est corrigé par des lentilles convergentes)