Correction

LP06 - Fonctionnement de l’œil ; comparaison avec un appareil
photographique.
5 janvier 2017 - Présentée par Clément ROIZARD
Correction : C.-E. LECOMTE 1
Le présent compte-rendu a pour but de résumer et com-
pléter la discussion qui a suivi la présentation de la leçon en
classe. Bien entendu, il est partiel et partial, et n’est qu’un
point de vue qui n’engage que son auteur. Rappelons que
c’est vous qui présenterez les leçons en fin d’année, et que
c’est donc à vous de décider de ce que vous voulez en faire.
Remarques générales
La leçon est dans l’ensemble de bonne facture. Le dé-
bit de parole est correct, les schémas sont propres. Le ta-
bleau aurait pu cependant être un peu mieux tenu (voir plus
loin). Les notions exposées sont bien présentes dans le pro-
gramme et la progression choisie est pertinente. Le jury rap-
pelle que le bulletin officiel est le document de référence
pour réaliser une leçon. Il est impératif pour cette leçon de
consulter le bulletin officiel de première S [5]. Les manuels
ne donnent qu’une indication pour le traitement des pro-
grammes.
Cependant, une impression de flou existait parfois : il
aurait fallu écrire plus au tableau. Il faut également mieux
distinguer l’expérience (observations des rayons en sortie
d’une lentille par exemple), de la modélisation (définition
des foyer objet, foyer image, centre et axe optique). L’écri-
ture au tableau (ou la projection par flexcam) des diffé-
rentes définitions, accompagnée d’un schéma annoté, peut
permettre de corriger cette impression de flou. Il faut égale-
ment mettre en valeur les définitions et les notions impor-
tantes, avec des couleurs par exemple, ou en les encadrant.
La leçon a duré 52 minutes : évitez de dépasser le temps
imparti, en particulier, il faut au moins avoir commencé sa
conclusion au moment des 50 minutes. Sinon, le jury risque
de vous couper. Pour traiter les points du bulletin officiel
sans dépasser, être plus précis dans les définitions permet
d’aller un peu plus vite tout en étant plus clair. On peut éga-
lement aller un peu plus vite sur les manipulations. Enfin, la
conclusion était trop courte et un bilan précis des notions
nouvelles manquait.
L’aspect expérimental était suffisamment développé
dans cette leçon. Certaines expériences auraient cependant
dûes être traitées plus proprement (centrer la lentille pour
éviter de grosses aberrations géométriques, faire toutes les
mesures de longueur sur le banc optique).
Je conseille très vivement la lecture du rapport du jury 2
sur la leçon de physique de 2016, qui est assez concis et qui
résume bien les attentes du jury sur cette épreuve.
Retour sur la présentation
Introduction (1 min 30)
C’est bienvenu de préciser à quel niveau les diffé-
rentes notions données dans le pré-requis ont été vues.
Cela montre que vous avez pris connaissance des différents
bulletins officiels. Un effort supplémentaire pourrait être
fait sur la contextualisation de la leçon : rappelez rapide-
ment les différentes notions (en particulier les propriétés du
rayon lumineux).
L’objectif de comprendre le fonctionnement de l’œil me
paraît être une bonne "situation déclenchante" issue de la
vie quotidienne (comme le jury le conseille), l’objectif étant
de conclure à la fin de la leçon sur les éléments de réponse
à la situation déclenchante.
Enfin, pour aborder plus sereinement la leçon, vous
pouvez préparer l’introduction en avance en écrivant le
texte sur une feuille. Cela permet d’être plus précis dans
son discours, d’éviter certaines familiarités ("dans l’œil, il
y a tout un tas de trucs") et d’être moins stressé.
1 Fonctionnement de l’œil (10 min)
1.1 Structure de l’œil (7 min 30)
Le schéma était clair et propre. Pour éviter des erreurs
dans certaines notations, vous pouvez garder un livre à côté.
Il est possible de gagner un petit peu de temps sur cette par-
tie.
Le modèle expérimental de l’œil aurait pu être intro-
duit de façon plus progressive : "La cornée et le cristallin
font converger les rayons lumineux sur la rétine, comme ce
modèle expérimental l’illustre.", pour ensuite introduire la
nécessité de comprendre le fonctionnement d’une lentille
et sa modélisation. Un schéma ou quelques phrases au ta-
bleau aurait pu permettre de dissiper cette impression de
flou.
L’expérience du laser 5 faisceaux était prématurée à ce
niveau à mon avis, elle a par contre toute sa place dans la
partie sur les lentilles.
1. [email protected] http://perso.ens-lyon.fr/charlesedouard.lecomte
2. Disponible à l’adresse http://media.devenirenseignant.gouv.fr/file/externe/73/3/rj-2016-agregation-externe-physique-chimie-chimie_
636733.pdf
1

1.2 Outil de modélisation (2 min 30)
Le tableau récapitulatif était bienvenu et permettait de
bien comprendre la modélisation.
2 Lentille convergente (32 min)
Il faut essayer de gagner un peu de temps sur ces par-
ties. Exposez précisément les règles de tracé, en les illus-
trant avec l’expérience plus simple du laser 5 faisceau. On
peut également gagner du temps en menant un peu plus
rapidement les mesures avec le banc optique.
2.1 Définition (5 min)
Faire l’expérience avec les lentilles au tableau est une
bonne idée : cela permet de bien voir l’expérience. Veillez à
placer soigneusement les lentilles dans le but de ne pas faire
apparaître les aberrations géométriques. Dans les boîtes
P4.4 et P4.13, il y a un plus grand choix de lentilles : choi-
sissez les plus grandes. Avec cinq faisceaux, la convergence
des rayons dans le plan focal est assez visuelle.
Pour chaque expérience, prenez l’habitude de faire un
schéma complet et annoté correspondant. Pensez à écrire
en totalité les définitions du modèle de la lentille mince (axe
et centre optiques, foyers objet et image). Illustrez celles-
ci par les expériences réalisées. Il est important d’avoir
quelques définitions importantes (utilisez de la couleur
pour les mettre en valeur!) que les élèves devront retenir.
On peut vous demander pourquoi telle lentille est
convergente ou divergente en fonction de sa forme. Sans
connaître la démonstration, vous pouvez avoir en tête la
formule dite des opticiens, que l’on trouve dans certains
livres de prépa, dans Houard [1] ou dans [3], p.65 :
1
f0
≈(n−1)µ1
R1
−1
R2¶
2.2 Formation d’image (13 min)
Avant d’énoncer chaque règle de tracé des rayons, faites
l’expérience correspondante, puis écrivez la au tableau en
toutes lettres avec le schéma associé. Là encore, utilisez
des couleurs car ce sont des choses à retenir pour l’élève.
Comme on en a discuté lors de l’entretien, l’expérience avec
le laser 5 faisceaux est sans doute plus claire que l’expé-
rience sur le banc optique pour illustrer les règles de tracé.
Les deux exemples (conjugaison objet et image réels,
objet réel et image virtuelle (loupe)) ont bien été menés.
2.3 Relation mathématique (14 min)
La démonstration expérimentale des relations de conju-
gaison, et non la justification mathématique, est dans l’es-
prit du programme. L’expérience est dans l’ensemble bien
menée. On peut améliorer la précision des mesures en pla-
çant tout sur le banc optique, y compris l’écran, et en uti-
lisant les mêmes pieds pour tous les éléments : le décalage
dû au pied est ainsi constant. On pourra ainsi faire des me-
sures au millimètre sans difficulté. Soyez bien précaution-
neux lors de la préparation de l’expérience pour éviter toute
erreur systématique (voir plus loin).
On peut admettre l’expression du grandissement si le
temps commence à manquer.
Vous avez évoqué que pour des lentilles de courte fo-
cale (10 cm et 15 cm), vous obteniez comme résultat de
l’ajustement linéaire 1
OA0
=0.7
OA +1
f0. Je pense que cela peut
venir d’un décalage dans le placement de l’écran ou d’un
des composants. Tout en gardant une allure qui semble rec-
tiligne, une erreur systématique de 1 cm risque d’affecter
significativement le cœfficient devant 1
OA . Pour cette expé-
rience :
— Utilisez les mêmes pieds pour banc, et faites atten-
tion à la position des éléments par rapport à leur
tige de fixation. Vous pouvez vérifier rapidement à la
règle que l’écart entre l’indication du banc optique
et la mesure est la même.
— Prenez également votre temps pour déterminer la
meilleure position de la lentille.
— Pour une position de l’objet et de l’écran fixée, notez
les deux positions de la lentille pour laquelle l’image
est nette.
— Enfin, faites des mesures sur une gamme de distance
objet-écran entre 4f0et 10f0environ.
3 Comparaison avec un appareil photo (7 min
30)
3.1 Description
Les différents éléments de l’appareil photo, ainsi que la
méthode de mise au point sont correctement exposés. Mais
la projection d’un transparent ou l’écriture au tableau per-
met de fixer quelques idées fortes.
Le principe de l’accomodation de l’œil ainsi que les dif-
férences avec l’appareil photo ont brièvement été abordées
en fin de leçon.
Conclusion (1 min)
La conclusion a été commencée alors que le temps était
déjà dépassé d’une minute. Pensez toujours à préparer des
parties facultatives au cours de la leçon, que vous traiterez
ou non en fonction du temps restant, afin de garder deux
minutes pour conclure sereinement. Comme je l’ai déjà dit,
je pense qu’il est mieux de conclure en parlant avec un
support visuel. Par exemple, un tableau récapitulatif sur les
points communs et différences entre œil et appareil photo-
graphique aurait été bienvenu.
On peut en profiter également pour répondre à la pro-
blématique posée en introduction. Le jury insiste particu-
lièrement sur cela dans son rapport. Il doit bien ressortir
que la leçon présentée permet de progresser dans la com-
préhension des phénomènes physiques.
2

Questions
Les questions servent d’abord à éclaircir les points peu
clairs de la leçon, puis ensuite à tester vos connaissances
plus largement. Voilà quelques notions sur des points qui
pourraient être discutés lors des questions, qui n’ont pas
tous été abordés au cours de la séance.
— Définition des notions d’objet et image.
Un objet est un point où se croisent les droites qui
portent les rayons lumineux incidents. Un objet peut
être une source lumineuse, où le point d’une dia-
positive éclairée par une source. L’utilité de la no-
tion d’objet apparaît avec le couple objet/image dans
un système stigmatique. Le stigmatisme est la pro-
priété de certains systèmes optiques qui transforme
les rayons issus d’un même point source A en des
rayons qui se croisent en un point unique, nommé
image de A.
— Définition de l’axe optique, des foyers objets et
image.
L’axe optique est un axe de symétrie d’un système
à symétrie cylindrique. Il est matérialisé par le rayon
lumineux qui n’est pas dévié par le système.
Tous les rayons issus du foyer objet sont parallèles
à l’axe optique : son image est à l’infini.
Des rayons incidents parallèles à l’axe optique
convergent au foyer image.
— Rôle du filtre anticalorique.
Les lampes quartz-iode émettent en grande partie
dans l’infrarouge. Le filtre anticalorique absorbe ces
infrarouges, pour éviter de chauffer des éléments sen-
sibles du montage et ainsi les dégrader (le verre ab-
sorbe les infrarouges).
— L’image n’était pas très nette sur l’écran lors de l’ex-
périence sur le banc optique. Pourquoi ?
En lumière blanche, à une grande distance, les aber-
rations chromatiques étaient très visibles : l’image
était irisée.
— Pourquoi les rayons parallèles issus du laser 5 fais-
ceaux ne convergent pas au même point ?
La lentille était désaxée, un des rayons était très
loin de l’axe optique. Les aberrations géométriques
étaient alors très visibles.
— Démontrer la relation de conjugaison utilisée.
On considère le tracé suivant des rayons lumineux :
x
A
A’
B’
B
F F’O
I
J
On démontre d’abord la formule de Newton. Les tri-
angles (ABF) et (OJF) sont semblables, ainsi que
les triangles (A’B’F’) et (OIF’), ainsi (attention aux
signes !) :
AB
AF
=OJ
OF et A0B0
A0F0
=OI
OF0
Or OJ =A0B0et OI =AB donc :
A0B0
AB
=A0F0
OF0
=OF
AF
D’où :
A0F0.AF =OF0.OF
On obtient ainsi la formule de Newton :
FA.F0A0= − f02
On écrit FA =OA−OF =OA+f0et F0A0=OA0−OF0.
D’où :
−OF0.OA−OF0.OA0+OA.OA0=0
D’où, en divisant par OF0.OA.OA0:
1
OA0
−1
OA
=1
f0
Ce qui est la formule de conjugaison de Descartes.
Pendant la séance de question, je pense que vous
pouvez admettre la formule de Newton si on vous
demande la démonstration de celle de Descartes.
— Tracé d’un rayon lumineux en incidence quelconque
sur la lentille.
On cherche à construire le rayon transmis par la len-
tille pour un rayon incident quelconque.
x
F F’
3

On utilise pour cela le fait que deux rayons paral-
lèles convergent dans le plan focal image de la len-
tille convergente. De plus, tout rayon passant par
le centre optique n’est pas dévié. On trace alors un
rayon, parallèle au rayon incident, passant par O : il
coupe le rayon transmis dans le plan focal image :
x
F F’
— Définition et propriétés du rayon lumineux.
Le rayon lumineux est un pinceau lumineux fin qui
décrit la courbe décrite par la lumière. On néglige
tout effet de diffraction. Dans un milieu homogène
et isotrope, le rayon lumineux se propage en ligne
droite. De plus, les rayons lumineux sont indépen-
dants entre eux.
— Quel est le rôle de la cornée ? Du cristallin ? Ver-
gences respectives ?
La différence d’indice entre la cornée et l’air est
grande, c’est la cornée qui est à l’origine de l’essen-
tiel de la vergence de l’œil. On considère que celle-ci
est de 59δ, dont 43δpour la cornée (les vergences
s’additionnent pour des lentilles accolées).
— Lorsque j’enlève mes lunettes, je n’arrive pas à lire au
tableau. Quel est le défaut de ma vision ? Quels verres
de correction utiliser?
La myopie résulte d’un allongement relatif du globe
oculaire, qui rend l’œil myope trop convergent : le
punctum remotum est à distance finie, par contre
le punctum proximum est plus rapproché. Je suis
donc myope. Au contraire, l’œil hypermétrope n’est
au contraire pas assez convergent, mais il peut ac-
comoder pour voir à l’infini : le punctum remotum
est virtuel, et le punctum proximum est éloigné par
rapport à l’œil emmétrope.
Pour corriger la myopie, on utilise une lentille diver-
gente. On utilise une lentille convergente pour corri-
ger l’hypermétropie.
— J’arrive, sans lunettes, à lire jusqu’à une distance de
30 cm. Quelle est la vergence de mes lunettes de cor-
rection ?
Mon punctum remotum est donc à 30 cm. Pour l’œil
non corrigé, on a :
Vœil seul =1
OA0
−1
OA
=1
OA0
+1
30 cm
Une fois corrigé, mon punctum remotum est à l’infini
donc :
Vœil corrigé =1
OA0
OA0reste inchangé donc la correction est de
−1
30 cm ≈ −3δ.
La lecture de Houard [1] est très instructive pour
l’œil, ses défauts et les corrections apportées, ainsi
que pour l’étude des instruments d’optique.
— Lorsque je plisse les yeux, j’arrive à voir plus loin.
Pourquoi ?
En plissant les yeux, on augmente la profondeur de
champ car on réduit l’ouverture. Cela se vérifie bien
en plaçant un diaphragme devant l’œil. La notion de
profondeur de champ est bien expliquée dans Houard
[1], p.151.
Je reste à votre disposition par mail si vous avez d’autres
questions.
Références
[1] HOUARD S., Optique : une approche expérimentale et
pratique, De Boeck, 2011
[2] PRÉVOST V., RICHOUX B. et.al., Sirius Physique-Chimie
1re S, Nathan,2011
[3] FRUCHART M., LIDON P., THIBIERGE É., CHAMPION M.
et LEDIFFON A., Physique expérimentale : optique,
mécanique des fluides, ondes et thermodynamique,
De Boeck, 2016
[4] TAILLET R., VILLAIN L. et FEBVRE P., Dictionnaire de
physique
[5] Bulletin officiel Première S, disponible à http:
//cache.media.education.gouv.fr/file/
special_9/21/3/physique-chimieS_155213.pdf
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