L`œil et les mécanismes optiques de la vision

Thème : Représentation visuelle – Chapitre 1 1ère L/ES
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Chapitre 1 :
L’œil et les mécanismes optiques de la vision
Notions et contenus
Compétences exigibles
1
Conditions de visibilité d’un objet
Exploiter les conditions de visibilité d’un objet.
2
Approche historique de la conception de
la vision
Porter un regard critique sur une conception de la vision à
partir de l’étude d’un document.
3
Modèle réduit de l’œil
Décrire le modèle de l’œil réduit et le mettre en
correspondance avec l’œil réel.
4
Lentilles minces convergentes,
divergentes
Reconnaître la nature convergente ou divergente d’une
lentille mince.
5
Éléments caractéristiques d’une lentille
mince convergente : centre optique, axe
optique, foyers, distance focale.
Représenter symboliquement une lentille mince
convergente ou divergente.
6
Exploiter la relation liant la vergence et la distance focale.
7
Construction géométrique de l’image
d’un petit objet-plan donnée par une
lentille convergente
Déterminer graphiquement la position, la grandeur et le
sens de l’image d’un objet-plan donnée par une lentille
convergente.
Activité 1 : Conditions de visibilité d’un objet
 L’enseignante éclaire un écran à l’aide d’un laser.
1. Qu’observe-t-on : sur l’écran ? entre le laser et l’écran ?
2. Que faut-il faire pour matérialiser le chemin emprunter par la lumière ?
 Réaliser la manipulation proposée.
3. Comment se propage la lumière dans un milieu transparent et homogène ?
4. Quel symbole utilise le physicien pour représenter la propagation de la lumière ? Comment appelle-t-on ce
symbole ?
5. Quelle est la différence entre un objet lumineux et un objet éclairé ?
6. Pour un observateur, quelles sont les deux conditions qui doivent-être réunies pour qu’il puisse voir l’énoncé
de cette feuille ?
7. Une source de lumière considérée comme
ponctuelle est placée dans une boite
comportant une paroi centrale munie d’un
trou. Parmi les positions notées de A à E, où
faut-il placer l’œil pour voir la source de
lumière ? Justifier la réponse à l’aide de
tracés de rayons lumineux.

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Activité 2 : Anatomie de l’œil
La figure ci-contre représente le schéma de la coupe
d’un œil.
1. Déterminer les compartiments traversés par la
lumière.
Pour le physicien, trois éléments de l’œil sont retenus
pour modéliser un œil : la pupille, le cristallin et la
rétine.
2.a Que veut dire « modéliser » pour un physicien ?
2.b Décrire sommairement les trois éléments retenus
par le physicien pour modéliser l’œil.
3. Les muscles ciliaires sont indiqués sur le schéma ci-
contre : quelle est leur action sur le cristallin ?
4. Pour un œil sans défaut (œil emmétrope), où se
forme dans l’œil l’image des objets observés ?
Activité 3 : Les lentilles
Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces sphériques (ou une surface sphérique et une
surface plane).
On trouve des lentilles dans beaucoup d’instruments d’optiques : lunettes, lentilles de contact, loupe, jumelles,
lunette astronomique, objectif d’appareil photographique…
On dispose de plusieurs lentilles avec des valeurs chiffrées indiquées sur leur monture.
1. Trouver trois moyens (au minimum) pour classer ces lentilles en deux familles.
 Mettre en commun les réponses en complétant le tableau suivant :
Méthodes utilisées pour distinguer les
deux types de lentilles
Famille 
Famille 
Lentilles …………………………………….
Lentilles …………………………………….
1/
2/
3/
4/ Effet de la lentille sur la
direction de propagation d’un
faisceau de rayons de lumière
initialement parallèles
SYMBOLE
 L’enseignante propose une quatrième méthode pour distinguer ces deux lentilles : compléter la dernière ligne
une fois l’expérience réalisée.
2. L’une de ces familles correspond aux lentilles dites convergentes et l’autre aux lentilles dites divergentes.
Justifier le nom de ces lentilles.
 Compléter la dernière ligne du tableau avec l’enseignante.

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Activité 4 : Notion d’objet et d’image conjuguée
 L’enseignante place une bougie allumée devant une lentille.
1. Qu’observe-t-on sur l’écran disposé après la lentille ?
2. Comment expliquer la formation de la figure observée sur l’écran ?
La figure obtenue sur l’écran s’appelle l’image conjuguée de la bougie obtenue à l’aide de la lentille. La bougie
est appelée objet.
On souhaite modéliser la situation précédente.
Pour cela, on considère que les deux points extrêmes de la flamme de la bougie, notés A et B sur la photo ci-
dessus. La bougie est alors représentée par une simple flèche orientée (cf. figure ci-dessous).
 À l’aide de quelques rayons lumineux issus de A et de B, compléter alors la modélisation suivante de la
situation étudiée afin d’interpréter la formation de l’image A’B’ de la bougie sur l’écran :
Activité 5 : Modèle de l’œil réduit
On rappelle le schéma anatomique de l’œil ci-dessous.
1. Rappeler les trois éléments retenus par le physicien pour le modéliser.
2. En raisonnant à partir de la forme du cristallin, par quoi le physicien peut-il le modéliser ?
3. Proposer, dans le cadre ci-dessous, le modèle de l’œil réduit et le mettre en correspondance avec l’œil réel.
A
B
Situation
modélisée
par
Modèle de l’œil réduit
A
B
Écran
A’
B’

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Correspondance entre l’œil réel et son modèle, l’œil réduit
L’œil réel
Modèle de l’œil réduit
Activité 6 : Petite histoire de la vision
Lire le texte suivant puis répondre aux questions :
« […] De tous les temps, la lumière a fasciné l’esprit des hommes, qu’ils soient religieux, philosophes, artistes ou
scientifiques. Ils lui attribuaient une dimension mystique. […]
Euclide et la géométrie du regard.
C’est avec les Grecs que naît la première réflexion scientifique sur la lumière. Le seul problème vraiment débattu
par les différentes écoles de penseurs est celui de la perception de la lumière. Euclide (v. 300 av. J.-C.) est le
premier à appliquer les mathématiques à un phénomène naturel en donnant une interprétation géométrique de
la lumière, fondée sur le concept du « rayon visuel » introduit par Pythagore (v. 550 av. J.-C.).
Pour Euclide, la vision résulte de rayons visuels émanant de l’œil et qui se propagent en ligne droite. Ces rayons
forment un cône dont le sommet est le centre de l’œil et la base le champ du visible. […]
Alhazen inverse les rayons lumineux
La pensée hellénique perd de son lustre après l’annexion de la Grèce à l’Empire romain vers la fin du IIe siècle
av. J.-C. et la destruction de la grande bibliothèque d’Alexandrie en l’an 389. Le flambeau de la connaissance
passe à l’Empire arabo-islamique. Les grands textes grecs sont traduits en arabe. […] Le philosophe,
mathématicien et astronome […] Alhazen […] développe les idées contenues dans les travaux d’Euclide et de
Ptolémée […]. Selon lui, la lumière vient de l’extérieur et entre dans les yeux, et non pas l’inverse. Pour preuve :
on ne peut fixer le Soleil car l’intensité de sa lumière brûle les yeux. […]. Du rôle de l’émetteur, l’œil passe à celui
de récepteur. Alhazen énonce qu’à chaque point du monde extérieur correspond une seule et unique image sur
le cristallin, dont il pense à tort qu’il est l’organe de la vision.
Kepler, Descartes et le rôle actif du cerveau dans la vision.
[…] Kepler reconnaît que lieu de convergence des rayons lumineux dans l’œil n’est pas le cristallin, comme l’a
cru Alhazen, ni le nerf optique comme le pense Léonard de Vinci, mais la rétine. […] Ayant réalisé des dissections
anatomiques d’yeux de bœuf, et constaté une image inversée dans la rétine, Kepler avance une hypothèse
révolutionnaire : nous voyons les choses à l’endroit parce que le cerveau, grâce à un mécanisme inconnu,
rétablit leur vraie orientation. L’astronome est donc le premier à suggérer que le cerveau joue un rôle actif dans
la vision, que nous voyons en somme à la fois avec les yeux et avec le cerveau.
Le philosophe et mathématicien René Descartes (1596-1650) ira encore plus loin : l’image cérébrale que nous
percevons est une version simplifiée de celle envoyée par le monde extérieur, et c’est le cerveau qui supplée à
l’information manquante. »
D’après Voyage au cœur de la lumière, Trinh Xuan Thuan,
Ed. Découvertes Gallimard Sciences et Techniques, Mai 2008.
Questions :
1. En quoi diffère l’interprétation de la vision par Euclide et
celle d’Alhazen ?
2. Qui était Kepler ? À quel(s) siècle(s) a-t-il vécu ?
3. Expliquer en quoi Kepler et Descartes ont fait évoluer
l’interprétation du processus de la vision.
4. Parmi les figures ci-contre, laquelle modélise au mieux la
conception actuelle de la vision d’un objet ?

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Activité 7 : Caractéristiques d’une lentille convergente
Les caractéristiques d’une lentille sont les suivantes :
  est l’axe optique (c’est l’axe de symétrie de la lentille).
 O est le centre optique de la lentille : il correspond au centre de la lentille.
 F’ est le foyer image (c’est le point image d’un point objet lointain situé sur l’axe optique).
 OF’= f’ correspond à la distance focale de la lentille.
1. Compléter, avec l’enseignante, le schéma ci-dessous en représentant les caractéristiques d’une lentille
convergente.
2. Compléter le schéma précédent en représentant la marche d’un rayon parallèle à l’axe optique avant et après
la traversée de la lentille. Pour répondre, il est possible de s’aider du dispositif expérimental muni d’une source
de lumière à rayons parallèles et d’une lentille convergente.
3. Faire de même pour un rayon passant par le centre optique.
On appelle vergence, notée C, d’une lentille l’inverse de sa distance focale f’ exprimée en mètre (m).
La vergence s’exprime en dioptries (dont le symbole est ).
4.a Exprimer C en fonction de f’.
4.b Recopier et compléter la phrase suivante : « Plus la distance focale d’une lentille est grande, plus sa vergence
est … ».
5. Recopier et compléter la phrase suivante en s’aidant éventuellement du matériel disponible : « Plus une
lentille convergente est bombée, plus sa distance focale est …….. et donc plus sa vergence est ….. ».
Exercices d’application :
6. L’oculaire d’un microscope peut avoir une vergence de C = 40 . En déduire la valeur de sa distance focale.
7. La distance entre le cristallin d’un œil emmétrope et sa rétine est d’environ 1,8 cm quand l’œil est « au
repos ».
7.a Que vaut la distance focale f’ de cet œil ?
7.b Calculer la vergence C correspondante.