L`œil et les instruments optiques

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CHAPITRE
L’œil et
les instruments
optiques
CORRIGÉ DES EXERCICES
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Nom :
Groupe :
Date :
Exercices
4.1
S E C T I O N 4 .1
L’œil humain
1. Quels renseignements l’œil envoie-t-il au cerveau ?
L’œil renseigne le cerveau sur la forme, la couleur, la distance et le mouvement des objets qui
nous entourent.
Ex.
1
2
3
2. Qui suis-je ?
a) Je suis à l’œil ce que le diaphragme est à l’appareil photo.
L’iris.
b) Sans moi, les rayons lumineux ne pourraient pas converger vers la rétine.
La cornée.
c) Je capte des images sous forme de rayons lumineux et j’envoie le tout au cerveau sous forme
d’impulsions nerveuses.
La rétine.
d) Je peaufine la vision, car je peux m’adapter à la distance des objets observés.
Le cristallin.
e) Je suis la porte d’entrée des rayons lumineux.
La pupille.
phares allumés de cette même voiture rencontrée le jour nous affectent très peu ?
Le processus d'adaptation de l'iris permet de laisser entrer plus de lumière dans l'œil lorsque
la luminosité est faible, ce qui est le cas au cours de la conduite nocturne. Ce trop-plein de lumière
a tendance à nous éblouir. En revanche, le jour, l'intensité des phares s'avère à peu près la même
■
que celle de la lumière ambiante.
4
CHAPITRE
3. Pourquoi les phares d’une voiture qu’on croise la nuit ont-ils tendance à nous éblouir, alors que les
PHYSIQUE
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f) Je me contracte au soleil et je me détends à l’ombre.
L’iris.
CHAPITRE 4
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Groupe :
Date :
4. Une élève assise au fond de la classe n’arrive pas à voir ce qui est écrit au tableau. Selon vous, quel
est son problème de vision ?
Cette élève est probablement myope.
5. Pourquoi une personne souffrant de presbytie et ne portant pas de verres correcteurs doit-elle
s’éloigner d’un journal pour le lire ?
La perte d'élasticité du cristallin entraîne une formation des images à l'arrière de la rétine. En éloignant
l'objet de l'œil, l'image se rapproche de la rétine et devient plus précise.
6. Gabrielle fait du camping avec son père, Alain. Gabrielle est myope, tandis que son père est presbyte
et possède des lunettes de lecture. Pour allumer un feu en faisant converger la lumière du Soleil, est-il
préférable d’utiliser les lunettes de Gabrielle ou celles d’Alain ? Expliquez votre réponse.
Il est préférable d’utiliser les lunettes d’Alain, car elles sont constituées de lentilles convergentes.
7. Observez l’illustration suivante.
F
F’
a) Quel est le problème de vision de cet œil ?
Les images se forment devant la rétine : l’œil est donc myope.
b) Dessinez une lentille correctrice devant cet œil et montrez comment le trajet des rayons principaux
est modifié par la présence de cette lentille.
F’
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F
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Ex.
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5
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Groupe :
Date :
Exercices
4.2
Ex.
1
2
SECTION 4.2
Quelques instruments optiques
1. La longueur focale de l’objectif d’un appareil photo est de 50,0 mm. À quelle distance de la pellicule
faut-il placer cet objectif pour photographier, respectivement :
a) une personne à 3,00 m ?
1. di = ?
4. di =
2. do = 3,00 m, soit 3000 mm
f = 50,0 mm
1
1
1
—
50,0 mm 3000 mm
= 50,8 mm
1
1
1
3. d + d = f
o
i
D’où di =
1
1 — 1
f
do
5. Il faut placer l’objectif à 50,8 mm de la pellicule.
b) une personne à 20,0 m ?
1. di = ?
4. di =
1
1
—
50,0 mm 20 000 mm
= 50,1 mm
1
1
1
3. d + d = f
o
i
CHAPITRE
1 — 1
f
do
■
D’où di =
4
1
PHYSIQUE
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2. do = 20,0 m, soit 20 000 mm
f = 50,0 mm
1
5. Il faut placer l’objectif à 50,1 mm de la pellicule.
CHAPITRE 4
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❙ EXERCICES
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Nom :
Ex.
3
Groupe :
Date :
2. Pourquoi dit-on qu’un microscope forme une image d’une image ?
Parce qu’un microscope est un appareil composé de deux lentilles : l’objectif et l’oculaire.
L’objet se trouve très près de l’objectif, qui en forme une image intermédiaire réelle et agrandie, située
près du foyer de l’oculaire. L’oculaire prend l’image intermédiaire et en forme une image finale
virtuelle et agrandie. L’oculaire forme donc une image de l’image formée par l’objectif.
Ex.
4
5
3. a) Qu’est-ce qui distingue la fonction d’un microscope de celle d’un télescope ?
Un microscope sert à voir de petits objets situés très près, tandis qu’un télescope sert à voir
de gros objets situés très loin.
b) Qu’est-ce qui distingue la longueur focale de l’objectif d’un microscope de celle de l’objectif d’un
télescope ?
L’objectif du microscope a une longueur focale très courte, tandis que celui du télescope
a une longueur focale très longue.
4. Quelle est la différence entre un télescope réflecteur et un télescope réfracteur ?
Un télescope réflecteur utilise un miroir pour réfléchir la lumière, tandis qu’un télescope réfracteur
utilise une lentille pour la réfracter.
Si ce miroir était sphérique au lieu d’être parabolique, quel serait son rayon de courbure ?
Le rayon de courbure d’un miroir sphérique vaut deux fois la longueur focale. Le rayon de courbure
du télescope spatial Hubble serait donc de 48 m.
Ex.
6
6. Pourquoi faut-il placer les diapositives à l’envers dans un projecteur de diapositives ?
Parce que cet appareil produit des images inversées. En mettant les diapositives à l’envers, on peut
donc les voir à l’endroit sur l’écran.
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5. Le télescope spatial Hubble est doté d’un miroir principal dont la longueur focale est de 24 m.
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Groupe :
Date :
Exercices sur l’ensemble du chapitre 4
E N S . C H A P. 4
Ex.
1
3
5
1. La position des images formées par les lentilles convergentes dépend de la distance entre l’objet
et la lentille.
a) Comment l’œil humain arrive-t-il à former des images sur la rétine quelle que soit la distance
de l’objet qu’il observe ?
L’œil humain est doté d’une lentille, le cristallin, capable de modifier son propre rayon de courbure,
ce qui permet de toujours envoyer les images sur la rétine.
b) Comment l’appareil photo arrive-t-il à former des images sur une pellicule ou un capteur
numérique quelle que soit la distance de l’objet observé ?
Il est possible d’avancer ou de reculer la position de l’objectif, ce qui permet d’envoyer
précisément l’image de l’objet sur la pellicule ou sur le capteur.
2. Remplissez le tableau suivant.
Instrument
optique
Nature
Sens
Taille
Position
Réelles
Inversées
Plus petites
que les objets
Plus près de
la cornée que
les objets (ou sur
la rétine)
Microscope Virtuelles
Inversées
Plus grandes
que les objets
Plus loin de
l’objectif que
les objets
Virtuelles
Inversées
Plus petites
que les objets
Plus près de
l’objectif que
les objets
Œil
humain
4
Appareil
photo
Réelles
Inversées
Plus petites
que les objets
Plus près de
l’objectif que
les objets (ou sur
la pellicule)
■
Télescope
Projecteur
Réelles
Inversées
Plus grandes
que les objets
Plus loin de
l’objectif que
les objets
PHYSIQUE
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Caractéristiques des images
CHAPITRE
Ex.
2
4
CHAPITRE 4
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Groupe :
Date :
3. La netteté des images formées par les lentilles convergentes dépend, entre autres, de la quantité
de lumière qui atteint l’écran.
a) Comment l’œil humain contrôle-t-il la quantité de lumière qui pénètre dans l’œil ?
En ajustant le diamètre de la pupille par la contraction ou le relâchement de l’iris.
b) Comment l’appareil photo contrôle-t-il la quantité de lumière qui atteint la pellicule ou le capteur
électronique ?
Par l’ouverture ou la fermeture du diaphragme de l’appareil.
4. Lequel de ces instruments ressemble le plus à l’œil humain : le microscope, le projecteur, l’appareil
photo ou le télescope ? Expliquez votre réponse.
L’appareil photo. Comme l’œil, un appareil photo est une boîte hermétique ayant une ouverture
(le diaphragme) et comportant une surface capable de capter les images. De plus, il peut s’adapter
à la quantité de lumière ambiante et à la distance des objets, tout comme le fait l’œil.
5. Une photographe installe un objectif de 200 mm sur son appareil photo, puis prend une photo
de la Lune. Si le diamètre de la Lune est de 3476 km et que la distance entre la Terre et la Lune
est de 384 000 km, quel sera le diamètre de l’image de la Lune sur la pellicule photographique ?
1. hi = ?
4. di =
2. ho = 3476 km, soit 3 476 000 m
do = 384 000 km, soit 384 000 000 m
f = 200 mm, soit 0,200 m
1
1
1
—
0,200 m 384 000 000 m
= 0,2 m
–0,2 m
hi = 384 000 000 m × 3 476 000 m
1
1
1
3. d + d = f
o
i
1
D’où di =
1
1
—
f
do
hi
–di
=
ho
do
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= –0,001 81 m
–d
D’où hi = d i × ho
o
5. Le diamètre de l’image de la Lune sur la pellicule photo sera de 1,81 mm.
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Nom :
Groupe :
Date :
Défis
1. Une personne lit un journal. Le journal se trouve à 28 cm des yeux de cette personne et la longueur
focale des yeux est alors de 2,7 cm. Quel est le diamètre de l’œil de cette personne ? (Indice : La
formule des lentilles minces permet d’obtenir une approximation suffisante de la réponse, et ce, même
si l’œil n’est pas une lentille mince.)
1. di = ?
1
4. di =
2. do = 28 cm
f = 2,7 cm
1
— 1
2,7 cm 28 cm
= 3,0 cm
1
1
1
3. d + d = f
o
i
D’où di =
1
1 — 1
f
do
5. Le diamètre des yeux de cette personne est de 3,0 cm.
2. Un projecteur doté d’un objectif de 120 mm peut recevoir des diapositives dont la taille est de 24 mm
sur 36 mm. Si l’on place un écran à 6,00 m devant l’objectif, quelle sera la taille des images projetées ?
1. hi1 = ? (longueur de l’image)
hi2 = (largeur de l’image)
4. do =
1
1
1
3. d + d = f
o
i
= 0,122 m
–d
hi1 = d i × ho1
o
–6,00 m
= 0,122 m × 0,024 m
= –1,18 m
1
4
–d
hi2 = d i × ho2
o
–6,00 m × 0,036 m
= 0,122 m
1 — 1
f
di
hi
–di
ho = do
CHAPITRE
D’où do =
1 — 1
0,12 m 6,00 m
= –1,77 m
■
–d
D’où hi = d i × ho
o
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2. f = 120 mm, soit 0,12 m
ho1 = 24 mm, soit 0,024 m (longueur de l’objet)
ho2 = 36 mm, soit 0,036 m (largeur de l’objet)
di = 6,00 m
1
5. Les images projetées sur l’écran seront de 1,18 m sur 1,77 m.
CHAPITRE 4
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❙ EXERCICES
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Groupe :
Date :
3. L’étoile la plus près du système solaire, Proxima du Centaure, se trouve à 4,22 années-lumière
de la Terre. Imaginez qu’une civilisation intelligente habite une planète orbitant autour de cette étoile.
Si un scientifique de cette planète, par exemple le professeur Zrfgh, désirait examiner le système
solaire, quelle devrait être la longueur focale de l’objectif de son télescope pour qu’il puisse au moins
détecter la planète Jupiter, dont le diamètre est de 143 000 km ? (Indices : Une année-lumière
correspond à 9460 milliards de km. Les capteurs du professeur Zrfgh ne peuvent pas enregistrer
d’images dont la taille est inférieure à 800 nm.)
1. f =?
2. do = 4,22 années-lumière, soit 3,99 × 1016 m
ho = 143 000 km, soit 1,43 × 108 m
hi = 800 nm, soit 8,00 × 10–7 m
8,00 × 10–7 m
× 3,99 × 1016 m
1,43 × 108 m
= 223,2 m, soit 2,232 × 102 m
f=
1
1
1
3. d + d = f
o
i
D’où f =
4. di =
1
1 + 1
do
di
1
1
1
+
3,99 × 1016 m 2,232 × 102 m
= 223,2 m
hi
–di
=
ho
do
5. Pour détecter la planète Jupiter, le professeur Zrfgh devrait disposer d’un télescope
dont l’objectif possède une longueur focale d’au moins 223 m.
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❙ EXERCICES
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h
D’où di = h i × do
o