Formation des images dans un œil - Physique

Thème 1 : Représentation visuelle
Chapitre 1
Formation des images dans un œil
L'œil permet de voir des objets si ceux-ci émettent de la lumière (en la produisant ou en la diffusant) et si cette lumière arrive dans l'œil. Une
personne voit un objet net si et seulement si les rayons lumineux émis par un point de cet objet, convergent en un point du fond de l'œil qui est
tapissé de capteurs de lumière. Dans ce chapitre, on va voir comment l'œil humain peut faire converger des rayons lumineux.
1.
Des objets qui peuvent modifier le trajet des rayons lumineux : les lentilles
a.
Deux types de lentilles minces
Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. Pour former des images sur un écran, sur un capteur d'appareil
photo ou pour corriger des défauts de la vision, il va falloir dévier les rayons lumineux. Pour cela, on utilise des lentilles. Il en existe deux types.
Type de lentille
mince
b.
Effet de la lentille sur un faisceau de rayons
lumineux parallèles
Allure de la lentille
Caractéristiques d'une lentille mince : axe optique, centre optique, foyers et distances focales
Axe optique d'une lentille mince : axe perpendiculaire de la lentille passant par son centre.
Centre optique O : intersection entre le plan de la lentille mince et l'axe optique.
Pour une lentille mince convergente
Observation d'un faisceau de rayons lumineux parallèles à l'axe optique arrivant sur une lentille mince convergente :
Constat :
F' est appelé
F est appelé
La distance OF' est appelée :
Pour une lentille convergente, la distance focale f est toujours
Pour une lentille mince divergente
Observation d'un faisceau de rayons lumineux parallèles à l'axe optique arrivant sur une lentille mince divergente:
Constat :
F' est appelé
F est appelé
Attention : pour une lentille divergente, F' et F sont inversés par rapport à la lentille convergente.
Schéma normalisé
Distance focale f d'une lentille divergente :
Pour une lentille divergente, la distance focale est toujours
2.
Formation de l'image d'un objet par une lentille mince convergente


Aller sur physique-chimix.fr et lancer l'animation sur la formation de l'image d'un objet par une lentille mince. La flèche A1B1 représente un
objet perpendiculaire à l’axe optique émettant des rayons lumineux.
Utiliser la simulation pour observer le trajet des différents rayons puis remplir le tableau suivant.
Règle de construction des rayons lumineux en sortie de la lentille
convergente
Schémas
Tout rayon passant par le centre optique
Tout rayon parallèle à l'axe optique émerge de la lentille
Tout rayon passant par F le foyer objet émerge de la lentille

Sur chacun des 3 schémas ci-dessous :
o Positionner la lentille mince convergente, ses foyers image et objet et son centre optique;
o Puis en utilisant les 3 règles de tracés répertoriées dans le tableau ci-dessus, tracer 3 rayons émis par le point B de l'objet
lumineux représenté par une flèche verticale sur l'axe optique.
1 - La lentille convergente est située à 8,0 cm de l'objet. Sa distance focale sera prise égale à 3 cm sur la feuille.
2 - La lentille convergente est à 6,0 cm de l'objet. Sa distance focale sera prise égale à 3 cm sur la feuille.
3 - la lentille convergente est à 5,0 cm de l'objet. Sa distance focale sera prise égale à 3 cm sur la feuille.
Pour former l'image nette d'un objet lumineux par une lentille mince convergente sur un écran, il faut positionner l'écran à l'endroit où les
rayons émis par un même point (exemple B) se croisent.
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
Sur chacun des 3 schémas ci-dessus, indiquer où il faudrait placer un écran pour former l'image nette de l'objet AB par la lentille. Noter cet
objet A1B1.
En utilisant vos tracés, qu'observez-vous sur le sens et la taille de l'image de l'objet AB formé au travers de la lentille ?
Sens de l'image d'un objet par une lentille convergente :
Taille de l'image d'un objet par une lentille convergente :
3.
L'œil vu par un physicien : "Modèle de l'œil réduit"
Document 1 : Schéma de la structure anatomique de l’œil
Document 2 : Fonction de quelques éléments anatomiques de l’œil
L’œil humain, globe pratiquement sphérique d’environ 25 mm de diamètre, 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 appelé pupille. L'iris joue ainsi le rôle de ce qu'en optique on appelle un diaphragme, c'est à dire un trou dont on peut
moduler la taille pour limiter ou augmenter la quantité de lumière arrivant dans l'œil. Le cristallin joue le rôle de lentille convergente, de façon à
former une image sur la rétine, membrane interne de l’œil. Une fois la lumière captée par la rétine, l’information est transmise par le nerf
optique au cerveau pour y être interprétée.


Compléter le schéma de l’œil du document 1, en indiquant où se trouve l’iris.
On peut modéliser l’œil par un système optique appelé modèle de l'œil réduit comprenant trois instruments optiques représentant
respectivement l’iris, le cristallin et la rétine.
a.
Sachant que l’image se forme sur la rétine, trouver un instrument d'optique simple permettant d’illustrer le rôle de la rétine.
b.
En utilisant le texte et la réponse à la question précédente, proposer ci-dessous un schéma de l’œil réduit.

Compléter le tableau de synthèse suivant :
Fonction
Élément de l’œil réel
Élément de l’œil réduit
Régulation de la quantité
de lumière
Faire converger les rayons
lumineux
Support où est formée
l'image
Éléments du chapitre à retenir pour le bac :

Connaître les conditions de visibilité d’un objet : savoir qu'un objet doit émettre de la lumière pour être visible et que cette lumière
doit pénétrer dans l'œil.

Être capable de reconnaître la nature convergente ou divergente d’une lentille mince.

Connaître les éléments caractéristiques d'une lentille mince convergente : centre optique, axe optique, foyers, distance focale.

Être capable de représenter symboliquement une lentille mince convergente ou divergente.

Être capable de déterminer graphiquement la position, la grandeur et le sens de l’image d’un objet-plan donnée par une lentille
convergente.

Connaître le modèle réduit de l’œil : être capable de le décrire et de le mettre en correspondance avec l’œil réel.
Prénom :
Nom :
Classe :
Interrogation de sciences physiques n°1 - Extrait d'un sujet de bac 2013
Document : extrait d'un article de « La Recherche », juillet-août 2010.
« Pourquoi diable dit-on « jeter un coup d'œil » ou « foudroyer du regard » ? Les bizarreries de la langue française rappellent une vieille
controverse : comment fonctionne la vision ? Et quel est son « sens » : de l'œil à l'objet ou de l'objet à l'œil ?
La dispute scientifique remonte à l'Antiquité. En lice : deux théories, connues sous les noms d'intromission et d'émission. La première, assignant à
l'œil un rôle passif, décrivait le phénomène de la vision par un quelque chose allant de l'objet à l'œil. La seconde, octroyant à l'œil un rôle plus
actif, expliquait la vision par un quelque chose allant de l'œil à l'objet.
Pour les mathématiciens Euclide et Ptolémée tenants de l'émission, des rayons visuels jaillissaient de la pupille pour partir à la rencontre de
l'objet. Pour les partisans de l'émission, l'existence d'un feu oculaire était une croyance tenace, corroborée par l'observation de l'œil des félins,
qui luisait dans l'obscurité, et par l'existence de sensations lumineuses surgissant dans l'œil à l'occasion d'un choc ou d'un traumatisme.
A l'encontre de la thèse de l'émission, en revanche, s'inscrivait l'absence de vision nocturne. Un œil émetteur aurait dû être en mesure de remplir
ses fonctions même dans l'obscurité.
La mise en évidence du rôle de la lumière en tant qu'agent de la sensation visuelle allait émerger à la charnière du X e et du Xle siècle, grâce au
mathématicien, physicien et astronome arabe Al-Hasan Ibn al-Haytham appelé encore Alhazen. Ses réflexions et expériences l'amenèrent à
condamner sans appel la théorie de l'émission.
Ce fut ensuite grâce à un astronome allemand, Johannes Kepler, que la théorie de l'intromission allait marquer un point de plus, en 1604. Il
montra que le cristallin, milieu transparent se substituait à une lentille et que la rétine tenait lieu d'écran et se révélait ainsi véritable agent
sensoriel. L'image rétinienne fut effectivement observée quelques années plus tard, en 1625, par le jésuite allemand Christoph Scheiner. Ce
dernier avait pratiqué une petite ouverture au fond de l'œil d'un bovin mort, de manière à dégager la rétine. A travers cette ouverture, il observa
une image renversée des objets à l'entour ».
QUESTIONS :
1.
Le document présente deux théories opposées sur la propagation des rayons lumineux. Nommer et représenter l'hypothèse de chacune de
ces théories sous la forme d'un schéma simplifié. Quelle théorie Alhazen a-t-il défendue ?
2.
A l'aide du document, expliquer pourquoi Kepler a joué un rôle capital dans la compréhension de la conception de la vision.
3.
A notre époque, le physicien utilise le « modèle réduit de l'œil » pour expliquer le principe de fonctionnement de l'œil en tant
« qu'instrument d'optique ». Quels sont les deux éléments indispensables qu'il associe à ceux de l'œil réel ?
4.
Compléter le schéma (donné en annexe 1) et justifier l'observation du jésuite allemand Christoph Scheiner en construisant l'image A'B' de
l'objet AB.
Répondre sur la feuille-réponse en « annexe 1 à rendre avec la copie ».
5.
Les expressions « jeter un coup d'œil » ou « foudroyer du regard » ont-elles une réalité physique ? Justifier.
Annexe 1 : Schéma à rendre pour la question 4