L œil et la vision C1 - DÉMARCHE D INVESTIGATION : L ŒIL, ORGANE DE LA VISION - DOCUMENT PROFESSEUR

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1 C1 - DÉMARCHE D INVESTIGATION : L ŒIL, ORGANE DE LA VISION - DOCUMENT PROFESSEUR LA SITUATION DÉCLENCHANTE Pour amener la structure de l œil et son fonctionnement, en début de séance le professeur évoquera par quelques questions judicieuses les appareils qui reçoivent de la lumière et la façon dont ils «utilisent» cette lumière. Le professeur en profitera pour rappeler en temps voulu les notions requises pour comprendre la modélisation de l œil. Connaissez-vous des appareils qui reçoivent de la lumière? «L appareil photo, la caméra, l écran de cinéma» Comment fonctionnent-ils? À quoi sert la lumière qu ils reçoivent? Le professeur commence par une manipulation avec le rétroprojecteur, la classe étant rassemblée autour de lui, puis pour l investigation proprement dite, les élèves utilisent les bancs d optique pour essayer d obtenir l image d un objet. Les documents à fournir aux élèves figurent après cet exposé de la conduite de la démarche d investigation. L APPROPRIATION DU PROBLÈME PAR LA CLASSE L expérience est effectuée par le professeur. Pour comprendre le fonctionnement de ces appareils puis, par la suite, de l œil, on utilisera le bloc optique du rétroprojecteur comme récepteur de lumière, l image se formant sur une feuille de papier blanc. Écran (papier blanc) 122

2 Les élèves se trouvent autour du rétroprojecteur, celui-ci est pointé vers une fenêtre assez bien éclairée afin d obtenir (après les divers réglages qui seront demandés aux élèves) l image du paysage extérieur sur l écran. Le bloc optique est déréglé volontairement. Comment faire pour obtenir une image correcte du paysage avec le rétroprojecteur utilisé? LA FORMULATION DE CONJECTURES, D HYPOTHÈSES On attend les réponses des élèves, on sélectionne en discutant ensemble puis on demande à un élève de régler la position du bloc optique du rétroprojecteur pour que l image formée soit dite «bien nette». Pour cela, il faut qu il joue sur la distance «écran - lentille» en bougeant la partie supérieure. De quoi est composé le bloc optique du rétroprojecteur? «Il est composé d un miroir et d une lentille» On demande aux élèves d admettre que le miroir ne sert qu à faire pivoter l image de 90, ce qui peut être délicat car un miroir donne aussi une image mais qui ne peut pas se recevoir sur un écran! Si nécessaire, faire la démonstration avec un miroir plan ce qui peut s avérer bien utile pour ôter toute suspicion. Quelle est la partie du rétroprojecteur qui permet d obtenir une image? «La lentille» On explique que la lentille du rétroprojecteur est essentielle pour la formation des images mais qu il faut qu elle soit «bien» située par rapport à l écran. Pour former une image, il faut que la lentille soit placée à une distance donnée de l écran. L image obtenue sur l écran est inversée par rapport à l objet observé. L INVESTIGATION Matériel - Un banc optique - Une lentille convergente de distance focale f = 10 cm - Un écran - Une lampe - Un objet (lettre F) On fait rappeler que seules les lentilles convergentes permettent d obtenir une image sur un écran. Protocole En disposant de tout le matériel sur la paillasse, l élève cherche à obtenir l image de l objet sur un écran. La lampe est placée au début du banc optique. L objet est au repère «0». 123

3 Indiquez sur le schéma ci-dessous l ordre d emplacement des matériels utilisés et les distances éventuelles qui les séparent. 0 Banc optique L ACQUISITION ET LA STRUCTURATION DES CONNAISSANCES Formalisation des connaissances Quel est l ordre des instruments utilisés? «Lampe objet lentille convergente écran» Comment est formée l image sur l écran? «L image est formée à l envers.» Depuis la position précédente, on approche l objet de la lentille qui reste en place. Que se passe-t-il? «L image devient floue!» Dans ces conditions, que faut-il faire pour obtenir une image nette? «Il faut bouger la lentille ou l écran.» CONCLUSION Pour former une image, il faut que la lentille soit placée à une distance bien précise de l écran. Cette distance peut changer si l objet est loin ou près. Et l image obtenue est à l envers! L OPÉRATIONNALISATION DES CONNAISSANCES EN LES APPLIQUANT À L ŒIL De la lentille à l œil : la formation des images dans l œil. L œil est un «instrument d optique» dont l ensemble des milieux transparents est assimilable à une lentille convergente dans laquelle le «cristallin» joue un rôle particulier. L objectif est de faire un parallèle entre la manipulation réalisée précédemment lors de l investigation afin d obtenir l image d un objet sur un écran et la formation des images dans l œil. 124

4 a) Étude préliminaire Complétez les phrases ci-après avec les mots du schéma (vous pouvez vous aider d un dictionnaire) : Les rayons de lumière issus d un objet entrent dans l œil par la pupille. Sous l action des milieux transparents de l œil (la cornée, l humeur aqueuse, le cristallin et l humeur vitrée) les rayons de lumière convergent et forment l image de l objet sur la rétine ; le nerf optique transmet ensuite les informations au cerveau. b) Transposition «du banc optique à l œil» À l aide des expériences que vous avez réalisées lors de l investigation (vous pouvez les refaire si nécessaire avec le même matériel) et des schémas ci-après : Expliquez comment, d après vous, l image de l objet se forme sur la rétine représentée sur le banc optique par un écran. Reproduisez le trajet de la lumière, qui permet de former l image de la lettre F sur la rétine de l œil, sur le schéma de droite. Iris Cornée Pupille Cristallin Humeur aqueuse Humeur vitrée Schéma de la coupe de l œil Rétine Nerf optique DISPOSITIF OPTIQUE MAQUETTE DE L'ŒIL Banc optique Lentille Écran Décrivez en quelques phrases comment vous êtes passés de la maquette de l œil à l œil lui-même. Remarque pour le professeur : les tracés réalisés sur les schémas ci-dessus qui sont fournis dans les documents élèves ne peuvent guère être des schémas d optique «traditionnels» car le cheminement des rayons de lumière dans une lentille n est pas connu des élèves de collège. Tout au mieux, on ne peut espérer que ce qui suit : 125

5 MAQUETTE DE L'ŒIL Banc optique Lentille Écran En bougeant l écran, on remarque que les rayons lumineux convergent tous en un point. En éloignant encore l écran, on trouve l image de l objet nette mais inversée. c) Formalisation des connaissances Sur le banc optique, quel matériel remplace l ensemble du système convergent de l œil? «La lentille.» Sur le banc optique, grâce à la lentille, sur quel support l image se forme-t-elle? «L écran.» Grâce au système convergent de l oeil, sur quel organe l image se forme-t-elle? «La rétine.» Comment se présente l image de l objet sur l écran? «L image se forme à l envers.» L image est-elle de même taille que l objet? «Non, l image est de taille différente, elle est plus petite.» À quel organe vital le nerf optique transmet-il les informations sur l image de l objet reçue sur la rétine? «Au cerveau.» Pourquoi ne voit-on pas les objets à l envers et pourquoi les images sont-elles de tailles différentes? «Les informations concernant l image de l objet sont interprétées par le cerveau qui retourne l image, la remettant à l endroit. Les images sont de tailles différentes selon la distance de l objet à l œil : plus l objet est loin, plus l image est petite.» L œil possède un capteur de lumière : la rétine. Les cellules de la rétine (les cônes pour en couleurs et les bâtonnets pour nocturne) reçoivent la lumière et la transforment en signaux électriques. Les nerfs transmettent ces signaux au cerveau qui les interprète pour restituer une image «redressée» car, sur la rétine, les images des objets se forment à l envers. 126

6 iris cornée rétine lumière cristallin nerf optique d) Conclusion L œil, représenté en coupe, peut se modéliser en ne retenant que les organes essentiels : - la cornée, l humeur aqueuse, le cristallin et l humeur vitrée formant «la lentille» ; - la rétine formant l écran. PROLONGEMENT : L ACCOMMODATION Dans ce que nous venons de réaliser, l objet, la lentille et l écran qui en recueille l image sont à des distances bien précises les uns des autres. Si l objet bouge, la lentille étant fixe, il faut bouger l écran pour conserver une image correcte. Or dans l œil, la lentille est fixe par rapport à l écran qu est la rétine : le cristallin ne peut ni avancer, ni reculer... ni le fond de l œil se déplacer! Comment l œil s adapte-t-il à de loin et à celle de près? Pour voir les objets aussi bien de loin que de près, le cristallin se déforme en se bombant sous l action des muscles ciliaires. Il fait ainsi varier sa distance focale ce qui permet aux images des objets regardés de toujours se former sur la rétine. On dit que l œil accommode suivant la distance à laquelle se trouve l objet : c est le phénomène d accommodation. Mais le cristallin a ses limites : - lorsqu il est au repos, non contraint à se déformer, il permet à un œil normal de voir nettement, sans effort, les objets placés à «l infini» (en réalité à plus de 6 mètres). On dit que l œil observe à son punctum remotum ; - lorsqu il est bombé au maximum, on dit que l œil observe au punctum proximum qui, pour un œil normal adulte, est fixé à 25 cm de l œil. Les élèves fixent un mot sur leur cahier puis ils approchent le cahier de leurs yeux. Jusqu à une certaine distance l image du mot reste nette puis elle devient floue, on dit que l œil n arrive plus à accommoder. 127