Physique/Chimie - 4ème - L`oeil - (Professeur)

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Programme
C. La lumière : couleurs et images
Cette séance expérimentale illustre la partie de programme ci-dessous, parue dans l'annexe IV à l'arrêté du 6 avril
2007 publié au BO hors série n° 6 du 19 avril 2007, afin de tenir du socle commun de connaissances et de
compétences au collège ( B.O. n° 29 du 20 juillet 2006).
C2. Que se passe-t-il quand la lumière traverse une lentille ?
Connaissances Capacités Exemples d'activités
La vision résulte de la formation d’une
image sur la rétine, interprétée par le
cerveau.
Les verres correcteurs et les lentilles
de contact correctrices sont des
lentilles convergentes ou divergentes.
Identifier les éléments de l’œil sur un
modèle élémentaire (ensemble des
parties transparentes de l’œil/ lentille,
rétine/écran).
Réaliser des expériences pour
expliquer et corriger les défauts de
l’œil (myopie, hypermétropie).
Utilisation d’une maquette (ou d’un
banc d’optique) modélisant l’œil ou
d’un logiciel de simulation pour
montrer la formation d’images sur la
rétine et les corrections éventuelles de
l’œil.
[SVT : organe sensoriel = récepteur, observation à l’œil nu, à la loupe (classe de 4
ème
)]
[Arts plastiques : l’image]
Pré requis de l’élève
o L’élève sait représenter un rayon, un faisceau de lumière.
o L’élève connaît les caractéristiques d’une lentille convergente, d’une lentille
divergente.
Mots clés
o Rétine
o Cristallin
o Accommodation
o Lentille convergente
o Lentille divergente
o Verre correcteur
o Myopie
o Hypermétropie
o Presbytie
Prévoir matériel
Par groupe (2 élèves)
Coffret d’optique avec banc et lentilles OA1
Source lumineuse magnétique
Alimentation électrique
Pour la classe
Maquette de l’œil : VISIOPTIC
Source lumineuse magnétique
Panneau métallique
Alimentation électrique
Références
09973
02268
01981
04455
02268
02257
01981
Niveau 4
ème
Physique
-
Chimie
La modélisation de l’œil et la correction des ses défauts.

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Remarques, astuces
o Rappeler en préambule les conditions nécessaires à la vision (programme de 5
ème
) : il faut
que la lumière diffusée par les objets entre dans l’œil !
o Il y a toujours, dans la classe, des élèves (ou le professeur) qui portent des lunettes. Il
sera intéressant, à la fin du TP, de tester avec la source à fentes multiples la
caractéristique des verres correcteurs de chacun d’eux et de diagnostiquer les défauts
corrigés.
o Il est nécessaire de placer sur les lentilles qui seront utilisées une petite étiquette sur leur
pourtour en y notant leurs références (L
1
, L
2
, L
3
, L
4
et L
5
) afin que l’élève s’y retrouve !
Développement
o Dans l’activité 1, l’utilisation du banc d’optique a pour but de définir « l’œil réduit »
(lentille + écran) et son assimilation, dans l’activité 2, avec notre organe de la vision.
o Pour chaque défaut de l’œil, la recherche de la correction se fera de façon
complémentaire avec le banc utilisé dans l’activité 1 et la maquette VISIOPTIC.
o Choix des lentilles proposées si on utilise le banc d’optique :
L’approche expérimentale des corrections des défauts de l’oeil reste qualitative. Il
n’est pas question, au niveau des élèves, d’exprimer et de calculer la vergence de
chaque dispositif.
Rappelons que la vergence d’une lentille, qui s’exprime en dioptries (symbole δ) est
l’inverse de sa distance focale f’, exprimée en mètres : C = 1/f’
- vision normale (activité 1) :
Cristallin : lentille L
1
, f’
1
= 100 mm, C
1
= 1/0,1 = 10 δ
- œil myope :
Cristallin : lentille L
2,
f’
2
= 50 mm, C
2
= 1/0,05 = 20 δ
Correction : lentille L
3,
f’
3
= -100 mm, C
3
= - 10 δ
On retrouve C
1
= C
2
+ C
3
= 10 δ
- œil hypermétrope :
Cristallin : lentille L
4
, f’
4
= 150 mm, C
4
= 1/0,15 = 6,6 δ
Correction : lentille L
5,
f’
5
= 300mm, C
5
= 3,3 δ
On retrouve C
1
= C
4
+ C
5
= 10 δ
o Si le professeur le désire ou en a le temps, il pourra faire utiliser par ses élèves le modèle
de « l’œil plat » référence 06281 du catalogue Pierron. L’œil plat en matière plastique
(« Modèle d’œil ») est peu coûteux, il permet une simulation rapide des défauts de l’œil.
Prolongements
o TC « Santé » : Recherche des autres troubles qui peuvent affecter le cristallin et la rétine
(presbytie, astigmatisme, daltonisme) et les techniques réparatrices de microchirurgie.
o TC « Sécurité » : Les dangers de la lumière solaire (essentiellement les UV).
o TC « Santé » : Test de la distance minimale de vision distincte (punctum proximum).
- On approche progressivement un texte quelconque des yeux d’une personne : au départ la
vision est nette avec accommodation, le cristallin étant de plus en plus convergent.
- On s’arrête lorsque le texte devient flou.
- On mesure alors la distance « d » entre le document et l’œil.
- Cette distance varie avec l’âge de la personne comme le montre le tableau ci-dessous :
Age 10 ans 15 ans 20 ans 30ans 40 ans 50 ans 60 ans
Valeur
Moyenne
de « d » 7 cm 8 cm 10 cm 15 cm 25 cm 40 cm 100 cm

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- On peut aussi mesurer cette distance minimale de vision distincte comme indiqué dans le
livre de 4
e
des Éditions Delagrave (collection Marc Lecoeuche), page 169, « Expérimenter à la
maison », deuxième volet.
- Il est également possible de déterminer l’acuité visuelle d’une personne et son évolution
avec l’âge grâce au test optométrique d’après Parinaud, chez tous les opticiens.
Pistes d’évaluation
Expérimentales - Réalisation d’un « œil réduit » et obtention de l’image d’un
objet lumineux.
- Retrouver cette image en fonction de différentes positions de
l’objet lumineux.
- Déterminer, avec une source de lumière (ex : source
lumineuse magnétique proposée) la nature d’un verre
correcteur (lentille convergente ou lentille divergente).
Théoriques - Schématiser une lentille.
- Connaître, pour l’œil réduit, les similitudes lentille
convergente/milieux convergents de l’oeil et écran/rétine.
- Schématiser le faisceau de lumière issu d’un point lumineux
(de préférence parallèle à l’axe optique) passant au travers
d’une lentille convergente, d’une lentille divergente.
- Déterminer le défaut d’un œil myope ou hypermétrope et la
propriété (convergent ou divergent) du verre correcteur
utilisé.

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Objectifs :
- Modéliser l’oeil
- Découvrir le rôle du cristallin et de la rétine
- Comprendre certains défauts de l’œil et leur correction.
I. Activité 1 : L’œil et la vision
1.1 L’œil : détecteur de lumière
Après avoir examiné, ci contre, le schéma de
l’œil (Doc. 1) et sachant que la lumière doit
atteindre la rétine, préciser quels sont les
milieux transparents de l’œil.
La cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin, le
corps vitré (ou l’humeur vitrée).
Quel est le rôle de la rétine ?
La rétine est la membrane photosensible de
l’œil. Elle envoie, par le nerf optique, les
informations au cerveau qui les interprète.
Doc.1
1.2 Modélisation de l’œil
Vous disposez d’un banc d’optique, d’un objet
lumineux « F », d’un écran E et d’une lentille
convergente L
1
de distance focale f’
1
= 10 cm.
Placer l’objet « F » sur la graduation 0 du
banc, la lentille L
1
sur la graduation 30 cm.
Placer l’écran E derrière L
1
et le déplacer
jusqu’à obtenir une image de la lettre « F ».
Comment est cette image par rapport à
l’objet F ? Elle est plus petite et renversée. Doc.2
L’œil est assimilable à cet ensemble « lentille - écran », le cristallin et les autres milieux
transparents correspondant à la lentille convergente du dispositif et la rétine à l’écran E.
Dans l’expérience précédente (Doc.2), mesurer la distance P entre la lentille et l’écran. Cette
distance, mesurée dans le cas d’un œil supposé normal (modélisé avec la lentille L
1
) servira de
repère, dans les expériences suivantes, pour déterminer les défauts de la vision : P = 15 cm.
1.3 Le rôle du cristallin.
Quand nous observons un objet éloigné, les
rayons de lumière qui en proviennent traversent le
cristallin et les milieux transparents de l’oeil pour
venir converger naturellement sur la rétine et
donner une image de l’objet. Si l’objet se
rapproche, l’image devant toujours se former sur
la rétine il faut que l’œil « accommode ».
Physique
–
Chimie
Modélisation de l’oeil
Approche expérimentale des corrections des défauts de l’oeil
Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Doc. 3

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En examinant le document 3, expliquer comment l’image de l’objet peut rester sur la rétine lors
de la vision rapprochée : lorsque l’objet observé est plus proche, le cristallin se « bombe » un peu
plus. Il permet ainsi aux rayons issus de l’objet de converger davantage pour que l’image se
forme toujours sur la rétine.
II. Activité 2 : Deux défauts de l’œil et leur correction.
2.1 La myopie
Remplacer, sur le banc, la lentille L
1
par la lentille
L
2
de distance focale plus petite (f’
2
= 5 cm) et
rechercher comment déplacer l’écran pour
retrouver l’image de la lettre F.
Conclusion : Il a fallu rapprocher l’écran de la
lentille.
Mesurer la distance lentille - écran : est-elle plus
grande ou plus petite que P ? Elle est plus petite.
L’image de cet objet se forme avant la rétine.
Un œil myope possède un cristallin trop convergent pour sa profondeur, ou, si son cristallin
est normal, l’oeil est trop allongé (Doc. 4)
Ce défaut se corrige avec une lentille divergente L
3
que l’on place devant L
2
.
La lentille divergente L
3
va « ouvrir » le faisceau de lumière provenant de l’objet observé.
L’ensemble lentille - œil provoque alors la convergence de la lumière sur la rétine et permet
d’avoir ainsi une image de l’objet éloigné.
Réaliser l’expérience puis compléter, sur le
schéma ci-contre (Doc.5), la représentation
des rayons de lumière
issus du point éloigné S et qui convergent sur
la rétine au point S’.
Doc.5
2.2 L’hypermétropie
Remplacer sur le banc, la lentille L
2
par la
lentille L
4
de distance focale f’
4
= 15 cm et
rechercher comment déplacer l’écran pour
retrouver l’image de la lettre F.
Il faut éloigner l’écran de la lentille.
Mesurer la distance lentille - écran : est-elle
plus grande ou plus petite que P ?
Elle est plus grande.
L’image de cet objet se forme derrière la rétine.
Doc.6
EN CONCLUSION : Compléter la phrase ci –dessous :
Le cristallin de l’œil est une lentille convergente souple qui peut se déformer. Lors de la
vision rapprochée, le cristallin est plus « bombé » ; il est plus convergent.
Lorsque le cristallin se déforme pour passer de la vision éloignée à la vision rapprochée
ou inversement, c’est le phénomène d’accommodation de l’œil.
Doc.4