Apparences de la perception visuelle

Apparences de la perception visuelle
I- Les illisions géométriques
1- Experience de la tasse
Observer une pièce de monnaie placée au fond d’une tasse lorsque la tasse est vide et lorsqu ‘elle est
remplie d’eau.
Observations : Lorsque la tasse est remplie d’eau, l’observateur peut voir la pièce de monnaie.
Comment peut-on expliquer ce phénomène ?
2- Que peut-il arriver à la lumière ?
a) Si elle arrive sur un miroir ?
Observations :
Le rayon lumineux est renvoyé par la surface du miroir. Lorsqu'un faisceau lumineux arrive sur un dioptre
plan (surface plane séparant deux milieux transparents), une partie du faisceau « rebondit » : c'est le
faisceau réfléchi.
On appelle réflexion de la lumière le changement de sa direction de propagation généralement
observé lorsqu’elle arrive sur objet opaque et brillant.
b) Si elle arrive sur une surface d’eau ?
Observations :
Le rayon lumineux est dévié par la surface de l’eau et pénètre dans l’eau.
On appelle réfraction de la lumière le changement de sa direction de propagation généralement
observé lorsqu’elle passe d’un milieu transparent à un autre. Le pouvoir réfringent d'un milieu par
rapport à l'air est mesuré par son indice de réfraction n.
c) Vocabulaire
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3- Etude de la réflexion
Expérience : On utilise un dispositif à disque optique comprenant
un demi-cylindre de verre transparent et une source lumineuse.
Placer un miroir sur la surface de verre recevant la lumière. Pour
différentes valeurs de l’angle d’incidence i, mesurer l’angle de
réflexion r’.
rayon incident
normale
i
r
rayon réfléchi
Compléter le tableau suivant :
i (°)
0
10
20
40
r’ (°)
0
10
20
40
L’angle d’incidence est toujours égal à l’angle de réflexion : i = r’. (Le faisceau réfléchi par un dioptre
plan est symétrique du faisceau incident par rapport à la normale au dioptre.)
4- Etude de la réfraction
Expérience : On utilise un dispositif à disque optique comprenant un demi-cylindre de verre transparent et
une source lumineuse.
Régler i (≈ 30°). Mesurer l’angle de réfraction r lorsque la lumière passe de l’air dans le verre puis
lorsqu’elle passe du verre dans l’air.
Observations : Pour un même angle d’incidence, rair-verre < rverre-air.
Conclusion :
On donne : nair = 1, nverre = 1,5.
Si n2 > n1 alors r < i : le milieu 2 est plus réfringent que le milieu 1.
Si n2 < n1 alors r > i : le milieu 2 est moins réfringent que le milieu 1.
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5- Réflexion totale
Expérience : Régler le dispositif de façon à ce que la lumière passe
du verre dans l’air. Augmenter progressivement la valeur de l’angle i
et observer l’évolution de la valeur de l’angle r.
Observations :
A partir d’une certaine valeur i’ de l’angle i, il n’y a plus de rayon
réfracté. La lumière ne pénètre plus dans l’air, elle est entièrement réfléchie par la surface de séparation
entre le verre et l’air.
Si le milieu 2 est moins réfringent que le milieu 1 et pour des angles d’incidence grands, la lumière
n’est plus réfractée mais entièrement réfléchie à la surface de séparation des deux milieux : on parle
de réflexion totale.
6- Retour sur l’expérience de la tasse
Par réfraction, le dioptre plan
séparant de l'eau et de l'air, donne
d'un objet situé dans l’eau une image
elle aussi située dans l'eau. Cela
signifie que, par réfraction, la lumière
venant d'un objet situé dans l'eau,
arrive jusqu'à l'œil d'un observateur
situé dans l'air en semblant provenir
de son image. L'image A` d'un point
A est sur le prolongement du rayon
qui arrive à l'oeil mais aussi sur la
normale au dioptre qui passe par A.
L'image est plus proche du dioptre
plan que l'objet.
Pour l'observateur, tout se passe comme si l'objet était en A, alors qu'il se trouve en A’. Le cerveau, habitué
à la propagation rectiligne de la lumière, a l'illusion qu'il y a un vrai objet là où il n'y a qu'une image.
7- Propagation de la lumière dans un milieu d’indice de réfraction variable
Expérience : On utilise un laser et une cuve contenant une couche de gros sel et de l’eau que l’on aura pris
soin de préparer un jour à l’avance. Faire passer le rayon laser au travers de l’eau.
Pourquoi cette eau est-elle un milieu d’indice de réfraction variable ?L’indice de réfraction est variable car
la concentration de l’eau en sel dépend de la profondeur.
Le rayon laser « plonge » vers le fond de la cuve.
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Dans un milieu d’indice de réfraction variable, la lumière ne se propage plus en ligne droite.
Application : les mirages car nair est une fonction décroissante de la température.L'observateur reçoit donc
la lumière issue de l'objet et lui parvenant en ligne courbe, mais le cerveau, habitué à la propagation
rectiligne de la lumière, interprète cette lumière comme lui parvenant en ligne droite. Dans certaines
régions désertiques, la lumière issue du ciel, courbée dans l'autre sens, donne l'illusion de voir des flaques
ou des objets très insolites.
II- Les illusions liées au temps
1- Le stroboscope
Qu’est-ce qu’un stroboscope ?Un stroboscope est une source lumineuse qui émet de brefs éclairs à des
intervalles de temps réguliers.
A faible fréquence, on observe des éclairs successifs. Lors de l’augmentation de le fréquence des éclairs, la
lumière nous paraît de plus en plus continue.
Quelle est la cause de ce phénomène ?Ce phénomène provient de la persistance des impressions
lumineuses sur la rétine. L’œil garde une image « en mémoire » pendant environ 0,1 s (soit f = 10Hz).
2- Que devient un mouvement en éclairage stroboscopique ?
Expérience (professeur) :
Faire tourner un disque noir marqué d’un secteur blanc. Observer le mouvement en lumière normale et en
lumière stroboscopique.
Observations :
En éclairage normal : on observe un disque gris, l’œil ne peut distinguer les différentes positions du
secteur (persistance rétinienne).
En éclairage stroboscopique : l’œil peut distinguer les différentes positions du secteur. Pour certaines
fréquences d’éclairs, le disque peut apparaître immobile ou semble tourner au ralenti.
Conclusion : Trouver une explication aux observations faites en éclairage stroboscopique ?
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•
On observe l’immobilité lorsque tous les éclairs surprennent le secteur dans la même position.
Entre deux éclairs, le disque a effectué un nombre entier de tours.
On observe un mouvement apparent ralenti dans le même sens que le mouvement réel
lorsque entre deux éclairs le disque a effectué un peu plus qu’un tour.
On observe un mouvement apparent ralenti dans le sens inverse du mouvement réel lorsque
entre deux éclairs, le disque a effectué un peu moins qu’un tour.
3- Le cinéma
Travail de recherche :
Comment est constituée une bande de film ?
Une bande de film est constitué d’une suite d’images photographiques des sujets en mouvement, prises
tous les 1/24 s.
Comment est projeté un film ?
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Chaque image reste sur l’écran 1/48 s et, entre deux images, est intercalée une plage d’obscurité qui
dure aussi 1/48 s.
Comment s’explique la continuité des mouvements lors de la projection d’un film ?
Entre deux images consécutives, il s’écoule 1/24 s, durée inférieure à la durée de persistance des
impressions rétiniennes, l’œil du spectateur juxtapose les images et le mouvement lui paraît continu.
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