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1 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 Lampe Schéma 3 Schéma 4 Lampe Œil Objet Lampe Œil Objet Objet Œil Lampe Œil Objet Document 1b : Petit aperçu historique Dès le V e 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 III e 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 XI e 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 XVII e 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? M.Meyniel 1/6

2 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. * Cette 2 nde condition découle de la propagation rectiligne de la lumière dans un milieu transparent et homogène. M.Meyniel 2/6

3 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 : Nom de la lentille Catégorie A Catégorie B 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 * 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 M.Meyniel 3/6

4 La distance focale f. La vergence C.. * 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. B A F O F axe optique * 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. M.Meyniel 4/6

5 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 M.Meyniel 5/6

6 III. Modèle réduit de l œil. 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. Compléter le tableau et le schéma. Œil réel Œil réduit Propriétés optiques Réalise la formation de l image d un objet observé sur la rétine écran iris = = Où se forme, dans l œil normal, l image d un objet vu nettement? Modèle de l œil réduit 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. M.Meyniel 6/6

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