LE CONCEPT D`OBJET VIRTUEL

LE CONCEPT D’OBJET VIRTUEL
Ce concept est plus facile à concevoir que celui de l’image virtuelle à condition de l’introduire par une
périphrase : « on appelle objet virtuel une image réelle que l’on empêche de se former ».
Un exemple très courant est donné par le rétroprojecteur (non portable cette fois).
Avec un peu de chance, le miroir inclinable peut se démonter facilement ou se redresser suffisamment
pour ne pas trop occulter le faisceau. Dans ce cas on place un transparent sur le plateau du
rétroprojecteur et on règle la hauteur de l’équipage de façon à former l’image sur le plafond. On
montre alors que l’introduction du miroir supprime l’image sur le plafond et la fait apparaître sur le
mur ou sur un écran placé à une distance correcte.
En faisant le parallèle avec l’expérience des deux bougies on établit que l’image réelle sur le plafond
sert d’objet virtuel pour le miroir plan.
On peut réaliser l’expérience avec différentes positions de l’objet virtuel en plaçant le rétroprojecteur
sur différents supports (le sol, une chaise, une table etc...) mais il peut être moins acrobatique de
coucher le rétroprojecteur sur le flanc si l’on veut vérifier l’égalité des distances de l’objet virtuel et de
l’image réelle donnée par le miroir.
LA PECHE AUX IMAGES VIRTUELLES
L’enseignement de l’optique géométrique en classe de première se heurte au concept d’image
virtuelle, terme de plus en plus galvaudé dans le langage courant et souvent confondu avec image de
synthèse.
De même, le langage courant emprunte beaucoup d’expressions à l’optique. Ne parle-t-on pas de la
clarté d’un exposé, d’une idée lumineuse, de soigner son image, de l’objet de son ressentiment, etc...?
Aussi convient-il tout d’abord de définir rigoureusement le vocabulaire utilisé.
DEFINITIONS FONDAMENTALES
OBJET : On appelle objet un bloc de matière.
C’est une définition très abstraite. Elle recouvre aussi bien les astres (étoiles, planètes ) que les objets
terrestres (arbres, tables, chaises, etc...).
On peut donner une définition plus concrète mais évidemment restrictive :
quelque chose que l’on peut toucher.
Les objets se classent en deux catégories (voir la fiche Vision des Couleurs).
Objets lumineux par eux-mêmes (étoiles, lampes et enseignes lumineuses etc..) s’opposent aux objets
non lumineux par eux-mêmes (ainsi la lune est-elle un objet (bloc de matière) non lumineux par luimême (sinon on verrait un disque et non pas un croissant).
IMAGE : Par opposition une image est quelque chose d’impalpable. C’est un signal détecté par l’oeil
mais avec lequel on ne peut avoir de contact physique comme nous allons en voir des exemples ciaprès.
Les images se classent en deux catégories.
Les images réelles sont des images que l’on peut voir et recueillir réellement sur un écran.
Ainsi une diapositive est un objet non lumineux par lui même. En l'éclairant fortement, il joue le rôle
d'un objet lumineux dont on peut faire l'image sur un écran ou sur sa main mais sans ressentir un
contact physique.
A l’inverse les images virtuelles sont des images perçues par l’oeil mais que l’on ne peut recueillir sur
un écran.
Les images télévisées sont des images reçues sur un écran donc des images réelles. Par contre le terme
d’image photographique est à proscrire puisqu’elle est palpable. De même on ne doit pas parler
d’album d’images à colorier mais de dessins à colorier.
La langue française est assez riche : dessins, esquisses, lithographies, eaux-forte, portraits, tableaux
etc... désignent des objets même s’ils représentent quelque chose.
Mais il nous faut maintenant... éclairer votre lanterne.
L’EXPERIENCE DES DEUX BOUGIES
Sur une table, dressons une vitre de faible épaisseur en position rigoureusement verticale. De part et
d’autre, en position symétrique par rapport au plan de la vitre, disposons deux bougies de même taille
et allumons la bougie située du côté de l’observateur. La seconde bougie paraît allumée tout au moins
tant qu’elle est observée au travers de la vitre.
En fait, sous son apparence dépouillée, il s’agit d’une expérience complexe.
Pour reprendre la nomenclature précédente, nous avons :
- deux objets non lumineux par eux-mêmes (les corps de bougie)
- un objet lumineux par lui-même (la flamme) qui donne deux sortes de faisceaux.
Le premier est celui qui part de la flamme et qui arrive directement sur l’oeil, le second est celui qui se
réfléchit partiellement sur la vitre avant de revenir vers l’oeil.
Ces quatre signaux sont focalisés sur la rétine de l’oeil par le cristallin donnant naissance à une très
belle illusion d’optique.
Dans cette expérience nous avons tout de même un renseignement : l’image de la flamme donnée par
la vitre se situe à l’endroit où se trouve la seconde bougie, c’est-à-dire derrière la vitre. En effet, il
suffit de décaler légèrement l’une des bougies pour que la supercherie apparaisse.
LA MAIN DE DRACULA
Les miroirs concaves, communément appelés miroirs à maquiller, ont la propriété de rabattre le
faisceau lumineux et de donner ainsi une image réelle d’un objet lumineux. En particulier, l’image se
situe au niveau de l’objet lorsque celui-ci est placé au centre de courbure du miroir (centre de la
sphère).
Cette propriété donne lieu à une expérience facile à réaliser si on dispose d’un rétroprojecteur portable.
Sans déplier le bras de projection, on dispose le rétroprojecteur sur le sol. On se place au dessus du
miroir de façon à regarder selon son axe et on abaisse la main vers le sol. On voit alors une main surgir
du miroir et venir à la rencontre de la nôtre.
L’expérience est plus spectaculaire si on se place dans une pièce sombre et que l’on dispose une lampe
de bureau de façon à obtenir un éclairage latéral de notre main.
Mais, là encore, nous savons où se situe l’image donnée par le miroir puisque nous pouvons la «
toucher » du doigt
L’EXPERIENCE DU PHILATELISTE
Disposons un timbre ou une carte postale sur une table et observons à l’aide de l’appareil très connu
sous le nom de loupe. Nous voyons une image agrandie de l’objet. Mais nous ne pouvons préciser où
se situe l’image. Bien des gens sont surpris d’apprendre qu’elle est en fait ... sous la table !
L’OEIL DE JEULIN
Dans tout ce qui précède, l’oeil « accroche » sur un signal qui peut être un objet ou une image et
procède à la mise au point sur la rétine de l’oeil par modification de la courbure du cristallin. Ce
phénomène, appelé accommodation, est un réflexe qui ne fait pas intervenir le raisonnement donc rend
impossible l’évaluation de l’endroit où l’oeil accommode.
En fait, lorsqu’il s’agit d’objets familiers, le long apprentissage de l’enfance permet de relier la
dimension connue de l’objet à sa distance par rapport à l’observateur. Ainsi, la dimension apparente
d’une voiture et la variation de cette dimension permettent au piéton de savoir s’il a le temps de
traverser.
Mais lorsque les dimensions des objets ou images ne sont pas connues, le cerveau ne sait pas
interpréter le message fourni par la rétine.
Par exemple le soleil et la lune (pleine) se présentent-ils comme deux disques de diamètres apparents
très voisins alors qu’en réalité le rapport des diamètre est de ... 500 !( La lumière met une seconde à
nous venir de la lune et huit minutes à partir du soleil).
Pour visualiser ce phénomène d’accommodation, la Société JEULIN commercialise une membrane
élastomère déformable par variation de pression. En faisant suivre cette membrane d’un bristol, on
matérialise un oeil très simplifié qui se résume à un cristallin et sa rétine.
Observer
la
déformati
on de la
membran
e.
(Cliquer
sur
l'image)
Si on place un objet lumineux devant cet « oeil », on montre que la netteté de l’image sur la rétine
s’obtient par modification de la courbure du cristallin, et par suite, qu’à toute position de l’objet
correspond une courbure donnée et vice-versa.
Observer en 2 temps :
- la netteté de l'image produite par le cristallin
- la déformation du cristallin
(Cliquer sur l'image)
UN OEIL PEU ACCOMMODANT
Puisque c’est le phénomène d’accommodation qui empêche l’oeil de savoir « où il regarde » nous
allons fabriquer un oeil qui n’accommode pas.
A l’extrémité d’une tige de 1,20 m de longueur, on fixe un écran qui matérialise la rétine. Puis on fixe
une lentille convergente qui conjugue les extrémités de la tige selon l’équation bien connue : 1/ p + 1/
p’ = 1 / f (ou -1/
+ 1/
= 1/
pour les tenants de l’optique algébrique).
A titre d’exemple, nous utilisons une lentille convergente de 25 cm de distance focale et de 7 cm de
diamètre placée à 35 cm de l’écran (un grand diamètre permet de réduire la latitude de mise au point et
améliore ainsi la précision des pointés).
Il est alors évident que si un signal lumineux est placé à l’extrémité de la tige et seulement à cet
endroit, alors son image sera nette sur l’écran. Mais ce signal lumineux peut être un objet ou une
image réelle ou encore ... une image virtuelle.
OBSERVATION D'UN OBJET
L'objet utilisé est une lettre F découpée dans une plaque métallique et montée sur une lanterne
d'éclairage de microscope (lampe à filament 6 V , 5 A placée au foyer d'une lentille convergente de
façon à obtenir un faisceau quasi-parallèle). Un dépoli (feuille de calque) est inséré entre la lentille et
la lettre afin d'obtenir un éclairement plus uniforme.
La "rétine" est ici un verre dépoli. On notera la position de l'extrémité de la tige par rapport à l'objet
(en haut à droite).
RETOUR SUR L’EXPERIENCE DES DEUX BOUGIES
Utilisons cette fois un miroir plan légèrement surelevé de façon que la tige de notre « oeil » puisse
passer dessous, et remplaçons la bougie par notre lettre F. Oter la lettre F pour s’assurer que la lumière
pénètre correctement dans "l’oeil" (respect de la loi de la réflexion). Remettre la lettre en place et faire
glisser "l’oeil". Lorsqu’une image nette du F se forme sur l’écran, on constate que l’extrémité de la
tige pointe une position F’ symétrique de F par rapport au plan du miroir. Comme aucune lumière ne
passe au travers du miroir, il s’agit bien d’une image virtuelle.
Sur cette photographie, le miroir plan est vu de dos ; la lumière vient de la droite et renvoyée vers
l'arrière plan. L'extrémité de la tige se trouve bien en arrière du miroir (la perspective fausse ici
l'égalité des distances).
IMAGE VIRTUELLE DONNEE PAR UNE LENTILLE
Lorsque la distance entre un objet et une lentille convergente est inférieure à la distance focale de
celle-ci, l'image de l'objet est alors virtuelle.
En approchant notre "oeil", on constate effectivement qu’il se forme une image sur l’écran lorsque
l’extrémité de la tige se situe en arrière de la lanterne.
Ainsi, dans l'expérience du philatéliste, l'image du timbre-poste est bien... sous la table !
Comme dans l’expérience précédente, il convient de faire attention à ce que la position de l’image
virtuelle soit compatible avec les dimensions de la tige utilisée.
On peut compléter ces mesures en calculant le grandissement de notre "oeil" ce qui permet de mesurer
dans les deux cas les dimensions de l’image située en bout de tige.
http://www.lac.u-psud.fr/experiences-optique/images-objets/images-virtuelles.htm