L`optique
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1 Sciences 8 – La physique L’optique Chapitre 6 : L’utilisation des systèmes optiques dans la correction et l’amélioration de la vision humaine 6.1 – La vision humaine La _________________ est une ouverture à l’apparence foncé, car la lumière peut passer à travers sans être réfléchie. L’______________ est le cercle coloré de muscles qui entoure la pupille. C’est la structure qui contrôle la quantité de lumière qui entre dans l’oeil. o Lorsque la lumière est faible, l’iris _______________ (ou agrandit) la pupille pour laisser passer plus de lumière. o Lorsque la lumière est brillante, l’iris ______________ la pupille pour réduire la quantité de lumière qui entre dans l’oeil. La cornée est un tissu transparent qui recouvre l’iris et la pupille. Elle est faite de cellules suffisamment transparentes pour permettre à la lumière de passer à travers, tout en étant assez solide pour maintenir ensemble les diverses parties de l’œil. Autour de la cornée se trouve un tissu opaque appelé ______________. La sclère est la matière blanche qui entoure l’iris. Derrière la pupille se trouve une lentille biconvexe souple, appelée le cristallin. Les rayons lumineux passent à travers cette lentille et se concentrent sur un écran à l’arrière de l’oeil appelé rétine. C’est là que l’image se crée. o Les cellules spéciales photosensibles de la rétine détectent l’image. o D’autres cellules de la rétine convertissent les rayons lumineux en signaux électriques qui sont transmis au cerveau à travers un nerf épais appelé ________________________________. P.204 figure 6.3 Les rayons lumineux passent à travers un système de focalisation qui comprend : 1. la cornée 2. le cristallin 3. les espaces dans l’oeil remplis d’un liquide clair o Le fluide situé entre le cristallin et la cornée offre un appui à la cornée et au cristallin. Il achemine des nutriments à la cornée. o Le fluide derrière le cristallin donne à l’oeil sa forme et soutient le cristallin. 2 La focalisation des rayons lumineux commence dès qu’ils pénètrent dans la cornée. La cornée réfracte ces rayons lumineux afin qu’ils convergent vers la rétine. La cornée effectue le gros du travail de focalisation de l’oeil. Le cristallin se charge du reste. Le __________________________ possède la capacité de régler la focalisation en changeant automatiquement de forme. o Lorsque certains muscles de notre oeil se contractent, la tension sur le cristallin est moindre, ce qui permet au cristallin d’épaissir. Un cristallin plus épais peut alors focaliser les objets rapprochés. o Lorsque tu regardes des objets éloignés, ces mêmes muscles se relâchent, augmentant la tension sur le cristallin et le rendant plus mince. Lien Internet L’image créée par le cristallin est inversée, mais ton cerveau interprète l’image comme si elle était à l’endroit. P.205 figure 6.4 Le point de jonction entre le nerf optique et la rétine ne possède aucune cellule photosensible. Cette zone est appelée la ____________________. Chaque oeil voit ce que l’autre ne voit pas, car leurs taches aveugles ne sont pas situées au même endroit. P. 205 du livre, questions 1 à 5 Les bâtonnets sont de longs cylindres qui absorbent la presque totalité des couleurs de la lumière (en particulier la lumière verte). o Pourtant, notre cerveau n’utilise aucun des signaux émis par les bâtonnets pour déterminer la couleur. o Ils détectent uniquement les tons de lumière et d’obscurité. C’est le système de vision noir et blanc ; dans les conditions de faible luminosité, il nous aide à distinguer les formes et les mouvements. Les ________________ rétiniens ont des formes plus rondes que les bâtonnets et ils nous permettent de détecter les couleurs. o Nous possédons trois types de cônes rétiniens, chacun ayant un type de pigment légèrement différent (sensible au bleu, vert, ou rouge). P. 206 figure 6.6 Les rayons lumineux provenant d’objets éloignés entrent parallèlement dans l’oeil. o Le cristallin (qui est convexe) amène les rayons à converger vers la rétine pour produire une image nette. o Étant donné que les rayons lumineux provenant d’objets rapprochés se divergents au moment d’entrer dans l’oeil, les muscles de l’œil provoquent un changement de forme du cristallin pour le rendre plus __________________. Cela augmente la capacité du cristallin à faire converger les rayons lumineux pour former une image nette. P. 208 figure 6.7 3 Le changement de la forme des yeux peut affecter la capacité de focalisation et nécessiter l’usage de lunettes. 1. Les gens capables de voir clairement les objets rapprochés, mais incapables de focaliser les objets éloignés, souffrent de ___________________________. o Les rayons lumineux créent une image en avant de la rétine (au moment d’atteindre la rétine, les rayons lumineux ont déjà commencé à se disperser, ce qui crée une image brouillée). o Une lentille concave permet de faire légèrement diverger les rayons parallèles afin que l’image soit créée plus loin, sur la rétine. P. 208 figure 6.8 2. Les gens capables de voir clairement les objets lointains, mais qui ont de la difficulté à voir les objets rapprochés, souffrent d’hypermétropie. o Les rayons lumineux provenant d’objets éloignés sont presque parallèles. Ils ont besoin d’une réfraction moins grande (que la lumière provenant des objets rapprochés) pour les faire converger. o Une lentille convexe est nécessaire pour focaliser les rayons lumineux exactement sur la rétine. P. 208 figure 6.9 Certaines personnes ont besoin de corriger leur vision en raison d’une déformation de la forme de leur cornée, une affection appelée _______________________________. o Une cornée normale possède une forme sphérique semblable à un ballon de soccer, tandis que la cornée d’un œil astigmatique possède une forme irrégulière. o L’image est focalisée à plusieurs points sur la rétine, causant une vision embrouillée. o L’astigmatisme peut être corrigé à l’aide de lunettes ou de lentilles de contact ou en effectuant une chirurgie au laser pour reformer la cornée. P. 209 figure 6.10 La ____________________ peut englober toutes les déficiences de la vision qui empêchent les gens de faire des activités. o Dans de très rares cas, une personne non voyante peut être incapable de détecter la lumière. o La plupart des gens qui sont aveugles au sens de la loi peuvent percevoir la lumière ou posséder une vision limitée. o Ils peuvent voir uniquement une petite partie de leur champ de vision. o D’autres non-voyants sont dans la situation contraire : ils voient les contours de leur champ de vision, mais non ce qui se trouve devant. o D’autres distinguent la lumière et l’obscurité, mais aucune aide visuelle ne leur permet de voir avec netteté. o Dans les pays en développement, la cécité est souvent le résultat de la maladie ou de la malnutrition. 4 La cécité des neiges est une affection douloureuse caractérisée par une cécité temporaire complète ou partielle causée par une surexposition à la lumière du soleil, par exemple lors d’un séjour sur les pentes enneigées en haute altitude. o Le traitement inclut le repos des yeux dans une pièce sombre pendant plusieurs jours pour permettre à l’inflammation de se résorber. o Pour prévenir la cécité des neiges, les Inuits utilisent des lunettes opaques munies d’une petite fente. La cécité ________________ est une affection qui rend la vision difficile ou impossible dans des situations de faible luminosité. o La cause la plus fréquente est la perte, par les bâtonnets, de leur capacité à réagir à la lumière. o Une personne peut naître avec une cécité nocturne ou la développer à cause de la maladie ou de la malnutrition. Le ________________________ est la possibilité de voir uniquement les tons de gris. o Une personne sur 40 000 souffre de ce problème. o Le daltonisme est habituellement considéré comme un handicap, mais elle a plus de facilité à trouver un objet placé dans un environnement embrouillé. P. 210 du livre, questions 1 à 7 et P. 215 du livre, questions 1 à 9 6.2 – Le prolongement de la vision humaine L’ajustement de la distance entre un écran et une lentille pour obtenir une image claire est appelé la focalisation. La focalisation est une étape importante dans l’utilisation des appareils optiques comme les microscopes, les télescopes, les jumelles et les appareils photo. Un microscope _____________utilise deux lentilles convexes possédant des distances focales relativement courtes pour agrandir de petits objets placés à courte distance. o La lumière de la source lumineuse éclaire l’objet sur la lamelle et passe ensuite à travers les objectifs. o Puisque la distance entre l’objet et la lentille convexe se situe entre une et deux fois la distance focale, cela produit une image agrandie de l’objet. o L’oculaire, lui aussi une lentille convexe, grossit l’image de nouveau. o L’image finale peut être des centaines de fois plus grosses que l’objet, selon les distances focales des deux lentilles. P. 217 figure 6.15 Un _____________________ utilise une lentille ou un miroir convexe beaucoup plus grand que ton oeil pour capter le plus de lumière possible provenant d’objets lointains. o Les plus grands télescopes peuvent capter un million de fois plus de lumière que l’oeil humain. 5 o Étant donné que l’image créée par un télescope est beaucoup plus brillante, l’image peut être grossie pour révéler davantage de détails. Il y a plusieurs similitudes entre les lunettes astronomiques et les microscopes. 1. Les télescopes et les microscopes sont munis d’un objectif et d’un oculaire. o La distance focale de l’objectif d’un télescope est plus longue que celle d’un microscope, car les objets observés sont éloignés de la lentille. o Les modèles les plus simples de microscopes et de télescopes utilisent uniquement deux lentilles. Ces lentilles dévient la lumière pour la focaliser; ils sont appelés __________________________________. 2. Dans les microscopes et dans les lunettes astronomiques, l’objectif capte la lumière et la focalise pour former une image. o Cette image créée à l’intérieur du microscope ou du télescope n’est jamais observable directement. Elle est grossie par l’oculaire, puis dirigée vers l’oeil de l’opérateur. o L’objectif doit être le plus grand possible. o Une lentille de grande dimension est lourde et ne prend appui que sur le contour intérieur du tube. o La lentille peut se déformer sous son propre poids, déformant ainsi l’image créée. o Le verre épais des lentilles est coûteux et difficile à fabriquer. P. 219 figures 6.16, 6.17 La plupart des grands télescopes sont des télescopes à réflexion. Un télescope à réflexion utilise un miroir concave, un miroir plan et une lentille convexe pour capter et focaliser la lumière provenant d’objets lointains. o La lumière provenant d’objets lointains pénètre à une extrémité du télescope et atteint un miroir concave placé à l’autre extrémité. La lumière est réfléchie par ce miroir et converge. Avant de converger vers le foyer, elle atteint un miroir plan placé en angle à l’intérieur du tube. La lumière est ensuite réfléchie par le miroir plan vers l’oculaire. Les rayons lumineux convergent vers le foyer, formant une image d’un objet lointain. o Certains télescopes utilisés pour l’observation de galaxies lointaines captent les rayons lumineux à partir de plusieurs miroirs, puis combinent ces rayons pour reformer une seule image. Le télescope Keck situé à Hawaï est un télescope de ce type. P. 220 figures 6.19, 6.20 Le télescope spatial _________________________ a été mis en orbite en 1990. o Il est un télescope à réflexion qui utilise deux miroirs pour capter, focaliser la lumière et former une image. o Le miroir primaire de ce télescope a un diamètre de 2,4 m et peut capter la lumière visible ainsi que certains autres types de rayonnement radioélectrique provenant de planètes, d’étoiles et de galaxies lointaines. o Il est libéré des distorsions causées par l’atmosphère de la Terre. 6 Internet Les ______________________ sont deux lunettes astronomiques montées côte à côte. o Des prismes sont placés à l’intérieur pour servir de miroir plan. La lumière est reflétée par ces prismes dans un mouvement de va-et-vient à l’intérieur d’un tube court. P. 221 figure 6.22 Les téléobjectifs possèdent une longue distance focale. L’image vue à travers un téléobjectif semble plus grosse et plus près qu’elle l’est en réalité. Un appareil photo numérique utilise une lentille convexe pour capter et faire dévier la lumière. o Au moment de prendre une photo, un obturateur s’ouvre pour laisser la lumière entrer. La lumière réfléchie par le sujet entre dans l’appareil par l’ouverture. Cette lumière passe à travers la lentille qui focalise l’image vers le photodétecteur. o L’image est inversée et plus petite que l’objet réel. o Certaines lentilles ont des distances focales courtes qui produisent une image relativement petite de l’objet, mais avec un large champ de vision. Ces lentilles sont appelées _______________________________. Il existe plusieurs similitudes structurelles entre un appareil photo et un oeil humain. 1. Le protège-objectif d’un appareil photo et la paupière réduisent le risque de dommage accidentel. 2. Le diaphragme et un iris limite la quantité de lumière qui pénètre dans l’appareil. 3. La lumière passe à travers la lentille pour former une image inversée dans l’appareil photo et dans l’oeil. 4. Au dos de l’appareil photo se trouve un détecteur appelé dispositif à couplage de charge (DTC). Il absorbe la lumière et émet les signaux électriques nécessaires pour produire une image numérique (il est doté de plusieurs surfaces minuscules, appelées pixels). Chaque pixel enregistre une petite partie d’une image. Les pixels sont les équivalents des bâtonnets et des cônes rétiniens qui détectent la lumière dans nos yeux. Certaines structures d’un appareil photo fonctionnent différemment de l’oeil humain. 1. La focalisation dans un appareil photo s’effectue en modifiant la distance entre la lentille et le détecteur. Chez les humains, le cristallin ne se rapproche pas de la rétine, il change de forme. P. 223 figure 6.26 P. 223 du livre, questions 1 à 8 Dans la __________________________________, toute la lumière possède la même longueur d’onde, tous les rayons lumineux se dirigent dans la même direction et toutes les crêtes et les creux sont parallèles. 7 o La lumière laser peut parcourir de grandes distances sans se disperser et contenir beaucoup d’énergie. o La lumière laser n’a qu’une seule longueur d’onde. o Les lasers sont utilisés pour recoller les rétines, stopper les hémorragies, reformer les cornées et soigner la cataracte. (La cataracte est une opacité du cristallin. Le laser est utilisé pour découper la cornée afin de remplacer le cristallin par un équivalent synthétique.) o L’énergie produite par un rayon laser est si intense qu’elle peut sceller les vaisseaux sanguins. Lien terminologique Les fibres optiques sont des fibres de verre transparentes capables de transmettre la lumière d’un endroit à un autre. o La lumière qui entre à une des extrémités d’une fibre optique est réfléchie en continu par les parois de la fibre jusqu’à ce qu’elle ressorte à l’autre extrémité. Ceci s’appelle la _________________________________. o Il n’y a pratiquement aucune perte ni absorption de lumière par la fibre optique. o Les fibres optiques sont utilisées en médecine pour transmettre des images de l’intérieur du corps d’une personne grâce à une caméra miniature installée à l’extrémité d’une fibre optique dont l’autre extrémité est reliée à un moniteur. Un paquet de fibres transmet la lumière tandis qu’un autre paquet retourne la lumière réfléchie au moniteur. o La lumière laser est envoyée à travers des câbles à fibre optique pour transmettre des signaux téléphoniques, des vidéos et Internet. P. 226 du livre, questions 1 à 4 P. 229 du livre, questions 1 à 9 P. 230-231 du livre, questions 1 à 15 Les yeux sont fascinants!
