4. Appareil photo
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TP n° 3 : De l’œil à l’appareil photographique 1. L'œil réel et l'œil réduit. Dans l'œil représenté ci-contre, on peut distinguer trois éléments rencontrés dans divers instruments d'optique. Un ensemble optique assurant la formation des images. Les rayons lumineux reçus par l'œil traversent plusieurs milieux transparents comme la cornée, l'humeur aqueuse, le cristallin qui se déforme sous l'action des muscles ciliaires et l'humeur vitrée Un diaphragme réglant la quantité de lumière. C'est la pupille, ouverture circulaire entourée par l'iris. Son diamètre varie par réflexe de quelques millimètres. Un récepteur. C'est la rétine, les informations qu'elle reçoit sont transmises au cerveau par le nerf optique L'œil réduit peut être modélisé par: - Une lentille convergente de distance focale variable qui représente …………………. - Un écran qui représente ………………….. sur lequel doit se former une image nette. - Un diaphragme qui représente …… La distance lentille-écran est fixe. 2. L'œil normal ou œil emmétrope. 2.1. Image d'un objet situé à l'infini. Expérience 1 - On simule un objet à l’infini en utilisant une lentille L1 ( de vergence +5,0 δ) qu’on place à une distance de 20 cm de l’objet. - Pour l’œil, on choisit une lentille convergente L2 de distance focale f2’ = 10 cm (+10 δ) puis on place l’écran à 10 cm de L2. - Qu’observe-t-on ? Comparer en particulier la position de l’objet et de L1, la position de l’image et de L2 . L2 (+10 δ) écran L1 (+5,0δ) Objet A F1 Simulation à l’infini f1’=objet 20,0 cm F’ f2 ’ = 10,0 cm 2.2. Observation d'un objet rapproché : accommodation. Expérience 2 - Enlever la lentille L1 et rapprocher l'objet de l'œil réduit, la distance lentille-écran restant fixe (10,0 cm). Qu'observe-t-on ? - remettre la source lumineuse à la graduation 0 puis rechercher la position pour laquelle l’image formée est nette en déplaçant légèrement l’écran. Où se trouve l’image formée par rapport à la position initiale de l’écran ? - L'œil étant à 10 cm de l'objet, remplacer la lentille L2 de vergence +10 δ par une lentille L3 portant la pastille de couleur grise de distance focale f3'= 5,0cm (C3= + 20 δ) La distance lentille-écran restant fixe (10,0 cm). Qu’observe-t-on ? Que peut-on dire de la vergence de la lentille L3 par rapport à la lentille L2 (+10 δ) ? Est-elle plus grande ou plus petite ? Expliquer pourquoi? L'élève vient voir l'enseignant et lui communique son interprétation. Si elle est validée, l'élève prend connaissance de la vergence de la lentille. Expérience 3 Application avec la maquette de l’œil Quand l'objet se rapproche de l'œil, celui-ci doit accommoder : les muscles du corps ciliaire modifient la vergence du cristallin afin qu'une image nette se forme sur la rétine. Le cristallin devient donc plus ………………..: la distance focale diminue et le foyer principal image de la lentille F’ n'est plus sur la rétine (la distance cristallin-rétine reste constante). Objet proche avant accommodation : Objet proche après accommodation : F’ F’ Image nette Image floue 16 mm 16mm 2.3. Punctum remotum (PR) et Punctum proximum (PP). Au fur et à mesure que l'objet observé se rapproche de l'œil, la convergence du cristallin s'accentue, les muscles accommodateurs travaillent de plus en plus. A partir d'une certaine distance, ils ne peuvent plus se contracter davantage : la distance focale minimale est atteinte, l'œil cesse d'accommoder : si on rapproche encore l'objet, l'image ne peut plus être nette. Le point le plus proche observable est appelé ………………………………..(…..) : il est situé à 25 cm environ pour un œil normal. L'œil accommode alors au maximum. Le point le plus éloigné visible au repos par l'œil est le …………………….………… (…..) il est situé à l’infini pour un œil normal. L'œil est alors au repos. Application : Déterminer par le calcul les deux valeurs extrémales de la distance focale f’ du cristallin. 3. Les défauts de l'œil. 3.1. La myopie. Expérience 4 - Reprendre l'œil réduit de l’expérience 1 en remplaçant la lentille L2 de vergence +10 δ par la lentille L3. - Placer l’objet à l’infini (voir méthode employée dans l’expérience 1). - Qu’observe-t-on ? - Où se trouve l’image nette ?(Pour cela, déplacer l’écran) L’œil myope au repos a une vision floue d’un objet éloigné car le cristallin est trop ……………. (on peut dire que l’œil est trop profond car F’ n’est pas sur la rétine). Expérience 4. - Selon vous, quel type de lentille faut-il accoler à L3 pour avoir à nouveau une image nette ? - Faire l’expérience en plaçant le nouvelle lentille avant L3 sur le même support. Quelle est la vergence de la lentille correctrice ? L'élève vient voir l'enseignant et lui communique son interprétation. Si elle est validée, l'élève prend connaissance de la vergence de la lentille. Dans le cas contraire, l'enseignant fournit une aide à l'élève. Pour corriger la myopie, on utilise des lentilles ……………………….. 3.2. L’hypermétropie. Expérience 5. - Reprendre l'œil réduit de l’expérience n°1 en inversant les lentilles L1 et L2. - Placer l’objet à l’infini (voir méthode employée dans l’expérience 1 : ici, on placera l’objet à 10 cm de L2 pour simuler l’objet à l’infini et la distance entre la lentille L1 et l’écran est toujours de 10 cm). - Qu’observe-t-on ? - Où est l’image nette?( on déplacera l’écran) L’œil hypermétrope au repos a une vision floue d’un objet éloigné car le cristallin n’est pas assez………… (on peut dire que l’œil est trop court car F’est derrière la rétine). En accommodant, une personne souffrant d'hypermétropie peut améliorer sa vision de loin car il rend son cristallin plus convergent. Mais cela fatigue l’œil et provoque des maux de tête. La vision de près n’est possible que par intermittence. - Selon vous, quel type de lentille faut-il accoler à L4 pour avoir une image nette ? Pour corriger l’hypermétropie, on utilise des lentilles ……………………….. 4. Appareil photo 4.1. L’ancêtre de l’appareil photo : la chambre noire C’est une boite ou une pièce obscure à l’extrémité de laquelle se trouve une ouverture ou sténopé. Celle-ci fournit l’image renversée d’un objet sur un écran. On connait la chambre noire depuis l’Antiquité. Au XIe siècle, le savant arabe Alhazen s’en sert pour observer une éclipse de soleil. En 1593, Porta, un peintre napolitain remplace le sténopé par une loupe (une lentille convergente) rendant l’image plus nette et plus lumineuse. Au XVIIIe siècle, son usage s’est généralisé et il est certain que les peintres Vermeer en Hollande, Canaletto et Guardi en Italie s’en sont servis. Ils utilisaient un calque et pouvaient ainsi observer l’image formée par la chambre noire. C’est de cette utilisation de la chambre noire qu’est venue l’idée de la photographie. Si l’on pouvait fixer l’image sur le papier calque, on obtiendrait des images parfaites de la réalité, sans l’interprétation de l’artiste. C’est ce qu’a obtenu le français Nicéphore Niepce au début du XIX e siècle, en trouvant des substances chimiques capables de noircir à la lumière et donc de fixer l’image. Expérience 6. On utilise deux lentilles convergentes ( de distance focale 10cm et 20cm). - Comment les identifier simplement? Deux méthodes sont demandées ! Pour une même distance objet-lentille, lorsque la distance focale de la lentille augmente, - comment varie la taille de l’image ? - comment varie l’encombrement de la boite ? Application :Graphiquement, vérifier que pour une distance donnée entre l’objet et la lentille, la taille de l’image augmente lorsque la distance focale de la lentille augmente. 4.2. Appareil moderne Sur un appareil photographique, lorsque la position de l’objet change, on effectue la mise au point afin que l’image se forme toujours sur la pellicule (ou le capteur). Dans le cas de l’oeil (vu au début du TP), lorsque l’objet observé se déplace, il y a accommodation afin que l’image se forme toujours sur la rétine. - Comment se nomme la partie de l’œil qui permet l’accommodation ? Expérience 7 : Fabriquons un appareil photo simplifié Prendre le porte lentille contenant la lentille +10 δ. On souhaite photographier la lettre F de la source lumineuse. Placer l’appareil ainsi formé à 1,5 m de l’objet. Faire la mise au point. On souhaite maintenant photographier un objet très éloigné (immeuble ou nuages). Faire la mise au point. - Comment, dans un appareil photo, la mise au point s’effectue-t-elle ? Matériel : - Banc optique - Ensemble de lentille - Maquette de l’œil ( prof) - Chambre noire
