Partie 1: Observer Chapitre 1 : Voir!
Rappels d optique La lumière est one onde électromagnétique qui se propage dans le vide et dans un milieu. Cette propagation est rectiligne dans un milieu homogène ( l air, l eau, le vide ) A chaque changement de milieu la lumière est réfractée. On représente un rayon de lumière par une droite orientée. La lumière se propage à la vitesse de 300 000 km.s -1 dans le vide (c = 3.10 8 m.s -1 )
1. L œil et le mécanisme de la vision. Activité documentaire : la théorie de la vision au cours des siècles
L œil anatomie d un récepteur de lumière Compléter le texte et le schéma de l œil.
L œil est un organe qui permet de recevoir et de transmettre une image au cerveau. Il est constitué De l iris qui permet de limiter la quantité de lumière pénétrant dans l œil par la pupille. De milieux transparents qui réfractent les rayons de lumière De la rétine qui joue le rôle d un écran sur lequel se forme l image.
Pour modéliser un œil sur un banc d'optique, il faut : Un diaphragme qui joue le rôle de l'iris. Il permet de limiter la quantité de lumière qui rentre dans l'œil Une lentille mince convergente qui joue le rôle de l'ensemble des milieux transparents (cornée et cristallin) Un écran qui jouera le rôle de la rétine. Celui ci sera placé à une distance fixe de la lentille. C'est l'endroit où l'image se forme.
2. Les lentilles minces a. Généralités et représentation. Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces dont l'une au moins n'est pas plane. D: Diamètre d'ouverture. e: Epaisseur. Une lentille est dite mince si son épaisseur e est faible devant le rayon de courbure des dioptres R
Il existe différent type de lentille minces convergentes. Elles se comportent toutes de la même manière vis-àvis de la lumière. On les reconnait car les bords sont plus mince que le centre. Biconvexe plan convexe ménisque convergent
On représente une lentille par une double flèche centrée autour de l axe optique( ) qui passe par le centre optique (O)de la lentille. O
b.la lumière dans une lentille mince convergente. L'indice de réfraction du milieu transparent (n 1 ) étant supérieur à celui de l'air (n 2 =1), l'angle i 2 est supérieur à l'angle i 1 On utilise la relation de Descartes : n 1.sin(i 1 ) = n 2.sin(i 2 ) Les rayons lumineux issus de la lentille vont converger en un point
La lumière passe par des points particuliers : Le centre optique (O) La lumière n est pas déviée, les rayons poursuivent leur trajectoire. On modélise le centre la lentille par un point. La droite qui modélise le rayon de lumière qui passe par le centre optique est l axe optique ( ) Le foyer image F et le foyer objet F. Ce sont des points remarquables situés sur l axe optique, symétriques par rapport à O.
Le foyer image F C est le point ou les rayons passant à travers la lentille et parallèles à l axe optique convergent. Le foyer objet F C est le point d où proviennent les rayons qui émergent de la lentille parallèles à l axe optique.
c. Construction graphique d une image : méthode des 3 rayons. Pour chaque point d un objet, il suffit de tracer les rayons lumineux à l aide des règles suivantes et de placer l image au point d intersection Un rayon passant par le centre optique d'une lentille n'est pas dévié. Un rayon parallèle à l'axe optique d'une lentille émerge en passant par le foyer image F '. Un rayon passant (ou semblant passer) par le foyer objet F émerge de la lentille parallèlement à son axe optique.
Obtention d une image sur l écran : 3 cas (voir TP/cours) L objet est considéré à l infini : l image se forme sur un écran (image réelle et renversée ) situé au foyer F. L objet est situé avant F : l image est réelle et renversée. Elle forme après F. L objet est situé entre O et F: l image est virtuelle. On ne peut l observer sur l écran.
d. Distance focale et vergence. On appelle distance focale f = OF la distance entre le centre de la lentille O et le foyer image F Attention la distance focale est une grandeur algébrique, l ordre des points indique le signe de la distance : AO = OA = OB = BO A O B AO=OA=OB=BO
On appelle vergence d une lentille l inverse de la distance focale en mètre : C = 1 OF = δ C s exprime en dioptrie δ. Pour une lentille convergente, C > 0
e. Conditions de Gauss Pour obtenir une image nette, il faut satisfaire les conditions de Gauss Le faisceau doit traverser la lentille au voisinage du centre optique. Les rayons incidents doivent faire un angle faible avec l'axe optique de la lentille. Pour réaliser ces conditions, il faut: Diaphragmer la lentille. Observer des objets de petite dimension au voisinage du centre optique.
Pour conclure L œil est un système optique complexe que l on peut modéliser par un ensemble {diaphragme+ lentille convergente + écran} On caractérise une lentille convergente par sa vergence ( ou sa distance focale), qui dépend de sa capacité à affecter la trajectoire de la lumière.
Chapitre 2 : Obtenir une image nette.
1. Prévoir les caractéristiques a. relation de conjugaison d une image. On peut obtenir la position de l image donnée par une lentille mince donnée à l aide de la relation de conjugaison : 1 OF = 1 OA 1 OA Avec les distance suivante en mètre! OF = f, la distance focale de la lentille (OF > 0) OA, la distance entre la lentille et l image OA, la distance entre l objet et la lentille (OA < 0)
b.relation de grandissement La taille de l image et son orientation dépend de la distance entre la lentille et l objet. Soit γ le grandissement, on a γ = A B AB = OA OA Si γ > 0 l objet et l image sont dans le même sens. L image est virtuelle. Si γ > 0 l objet et l image sont inversées. L image est réelle La valeur absolue de γ nous indique si l image est plus petite ou plus grande que l objet. ( γ > 1 image agrandie; γ < 1 image rétrecie. )
Que fait l œil quand il observe des objets situés à différentes distances? Quelle différence avec un système composé d une lentille et d un écran?
TP/COURS
2. L œil un système optique très A. Accommoder performant Contrairement à un système lentille-écran, la distance entre le cristallin et la rétine est fixe. Lorsqu un objet est situé à l infini, l image se forme sur la rétine. La distance focale de l œil est égale à la distance cristallin-rétine. Lorsqu on approche un objet de l œil celui-ci accommode : l œil modifie sa distance focale en modifiant la forme du cristallin et forme une image nette sur la rétine.
Les limites du modèle de l œil simple Le modèle de l œil simple ne permet pas de modéliser le phénomène d accommodation. Il faut changer de lentille pour modéliser l accommodation.
b. Les limites de l œil. Les limites de l accommodation Le Punctum Proximum (P.P.) est le point le plus proche qu un œil est capable de voir net. Pour un œil accommodant normalement, (œil emmétrope) il est situé à 25 cm. Le point le plus éloigné visible au repos par l œil est appelé Punctum Remotum (P.R.) ; pour un œil emmétrope, il est situé à l infini. L œil peut voir n importe quel objet situé entre son PP et son PR
c. Défauts de l œil. La myopie : L œil est trop convergent, l image se forme avant la rétine. La vision de loin est déficiente, mais l oeil n accommode que très peu de près. On utilise des lentilles minces divergentes pour corriger la myopie. L hypermetropie: L œil n est pas assez convergent, l image se forme après la rétine. L œil doit accommoder pour obtenir une image nette, même pour un objet considéré à l infini. On utilise des lentilles minces convergente pour corriger l hypermetropie.
La presbytie : C est un défaut de l œil qui apparait avec l âge. L œil n est plus capable d accommoder à cause d une faiblesse musculaire des muscles ciliaires ou d une perte de souplesse du cristallin. On utilise des lentilles minces convergente pour corriger la presbytie.
3. L appareil photo, un œil technologique. Activité documentaire. Comme pour l œil, on retrouve dans l appareil photo un dispositif assimilable à un système diaphragme, lentille, écran. La gestion de l exposition (quantité de lumière qui arrive sur le capteur) et de la mise au point diffère de celle de l œil.
Similitude Objectif : Ensemble de lentille focalisant la lumière sur l écran (CRISTALLIN) Diaphragme : Système mécanique qui sert à réguler la quantité de lumière qui arrive sur le capteur (IRIS) Capteur : Zone photosensible qui capte la lumière et sur laquelle se forme l image.(retine) Différence Mise au point : Déplacement de l ensemble des lentilles de l objectif. Changement de vergence (zoom) de de distance focale (focus). Exposition : Gestion de 3 paramètres : l ouverture du diaphragme (profondeur de champ), la durée de l exposition et la sensibilité du capteur.