theme 1 – observer : couleurs et images

1S – Chapitre 1
Séquence A
THEME 1 – OBSERVER : COULEURS ET IMAGES
I – Activité de découverte : Les lentilles
La figure 1 représente de la lumière se propageant de la gauche vers la droite. Cette lumière, initialement
constituée de faisceaux fins parallèles entre eux, traverse un objet en plastique transparent.
a. Décrire les faisceaux de lumière avant et après l'objet en plastique.
b. Dans quel cas l'objet permet-il à la lumière émergeante de converger ?
c. Formuler une hypothèse sur la forme des objets qui leur permettent d'être « convergents » ?
d. Connaissez-vous des usages d'objets de cette forme dans la vie courante ?
e. Décrire une expérience qui permettrait de se convaincre que ces objets courants font effectivement
converger la lumière.
II – Activité de modélisation – Etude de
l’œil
L'œil est un système optique complexe auquel
s'ajoute un capteur, la rétine. Nous allons modéliser
le fonctionnement optique de l'œil humain grâce au
matériel du laboratoire : c'est l'œil réduit.
A – Le fonctionnement de l’œil
L'œil humain comporte de nombreux éléments aux rôles
bien précis. L'iris est la membrane colorée qui donne sa
couleur à nos yeux : en se contractant et se dilatant, elle
va moduler la quantité de lumière qui traverse le trou
percé en son centre, la pupille.
La cornée puis le cristallin jouent dans l'œil le rôle de
lentille convergente, de façon à former une image sur la
rétine. L'arrière de cette membrane interne de l'œil est tapissé de cellules photosensibles. Une fois la lumière
captée par la rétine, l'information est transmise par le nerf optique au
cerveau pour y être interprétée.
a. Associer à chaque terme écrit en gras dans le texte, un élément
numéroté de la figure 2 ci-dessus de l'œil réel.
B - Modélisation de l’œil
c. Nous allons nous limiter à considérer que la lumière pénètre dans
l'œil et continue à se propager en formant une image du monde
extérieur sur la rétine. Nommer chaque repère indiqué sur la fig.3.
Lancer le logiciel « œil ».
d. Formuler une hypothèse sur la propriété des constituants de l'œil : la cornée, l'humeur aqueuse, le
cristallin et l'humeur vitrée, qui permettent à la lumière de parvenir jusqu'à la rétine.
e. Comment la pupille a-t-elle été représentée sur la figure 2 ? Expliquer quel est son rôle dans la vision.
f. Déduire de la forme du cristallin l'objet par lequel il pourrait être modélisé.
g. Quelle hypothèse peut être formulée sur le parcou rs de la lumière dans l'humeur vitrée ?
h. Déduire de la figure 3 les éléments considérés pour la modélisation de l'œil.
III – Activité de modélisation – Le trajet des rayons lumineux à travers une
lentille convergente
Après les avoir établies, nous nous servirons
de trois règles de construction pour
déterminer la position, la grandeur et le sens
de l'image d'un objet lumineux quelconque par
une lentille mince convergente.
A – Les règles de construction
Une lentille est caractérisée par son centre de
symétrie O, appelé centre optique, et une
longueur : sa distance focale notée f’. Cette
longueur définit deux points particuliers sur l'axe
optique de la lentille : le foyer image F' et le foyer
objet F tels que : OF’ = OF = f’.
La double flèche correspond à une lentille mince
convergente L.
La flèche verticale AB représente un objet lumineux perpendiculaire à l'axe optique.
Lancer le logiciel Hatier , simulateur « Lentilles »
 Afficher lentille convergente de 5 cm de distance focale et observer les rayons.
 Changer légèrement la position de la lentille avec la main. Modifier la taille de l'objet AB en cliquant sur
l’onglet objet-image.
 Changer de même la position de l'objet AB par rapport à la lentille avec la main.
1.a. Que devient un rayon lumineux passant par le centre optique O de la lentille ?
1.b. Quelle est la propriété des rayons incidents passant par le point F (foyer objet) ?
1.c. Comment émerge un rayon lumineux incident parallèle à l'axe optique ?
2. Expliquer comment déterminer graphiquement l'image d'un objet lumineux en exploitant deux règles de
construction, et en vérifiant le résultat à l'aide d'une troisième règle.
3. Citer les trois règles de construction.
B – Détermination d’images par tracés de rayons Recherches de protocole
 Réaliser une simulation comportant une lentille convergente représentée par une double flèche. Sa
distance focale f’ sera prise égale à 10 cm sur la feuille.
 Comme sur la fig.4, placer un objet AB à 10cm sur l’axe optique.
 La hauteur de AB sera de 4 cm et placé à 20 cm de la lentille. Déterminer graphiquement l'image A'B' de
AB (schéma 1) en exploitant les trois règles de construction.
 Faire de même pour un objet placé à 16 cm avant la lentille (schéma 2), à 10 cm (schéma 3), à 8 cm
(schéma 4) et enfin à 5 cm de la lentille (schéma 5).
4. Les trois rayons émergents se croisent-ils en un point unique ?
5. Pour les quatre premiers schémas, l'image est-elle dans le même sens que l'objet ? Est-elle plus grande
ou plus petite ?
6. Les rayons émergents se croisent-ils sur le schéma 4 ? Les prolonger en pointillés à gauche de la
lentille. Cette image « virtuelle » ne peut pas être observée sur un écran mais est visible à l'œil : est-elle
inversée ou droite ? Agrandie ou plus petite que l'objet ?