3 sciences générales – OPTIQUE

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A. Sources de lumière
A.1. Introduction historique
Notre sens de la vision
Pythagore affirmait (vers 500 av. J.C.) qu’un regard correspond à de
la lumière qui sort de nos yeux pour « entrer en contact » avec l’objet
que l’on regarde. Il faut en effet que l’on ouvre les yeux et qu’on les
tourne vers cet objet. Nous disons d’ailleurs encore aujourd’hui que
l’on « jette » un regard dans telle ou telle direction ou que le regard
« touche » tel objet. Pythagore avait sans doute remarqué en plus
qu’il nous arrive de voir des effets lumineux quand nous tenons les
yeux fermés, dans l’obscurité complète. Il a pu penser dès lors qu’il
devait y avoir une source de lumière dans nos yeux bien que nous savons aujourd’hui qu’il ne
s’agit là que de signaux créés à l’intérieur de notre système nerveux, analogues à ceux qui
forment le « bruit de fond » que l’on peut entendre à la radio.
Démocrite proposait (vers 400 av. J.C.) une conception tout à fait
différente, en partant du fait que nous sommes incapables de voir des
objets qui se trouve dans l’obscurité totale. Il faut qu’ils soient éclairés,
c’est-à-dire qu’ils reçoivent de la lumière qui provient d’une source de
lumière extérieure, telle que le soleil par exemple. Démocrite estimait
donc que la lumière est « quelque chose » qui est émis par des corps
lumineux, mais que nous percevons avec nos yeux. Quand nous
regardons vers la source de lumière, nous recevons la lumière par voie
directe. Mais elle peut nous parvenir aussi par voie indirecte, en étant
renvoyée vers nous par les objets éclairés que nous voyons. Ceux-ci
agissent alors à leur tour comme des sources, mais avec de la lumière
« empruntée ».
Aujourd’hui, nous avons l’impression que cela est tout à fait évident.
Mais comment aurait-on pu le prouver à cette époque ? Platon pensait
en effet (vers 350 av. J.C.) que nous voyons les objets parce qu’ils sont
« touchés » à la fois par notre regard et par la lumière qui éclaire ces
objets. D’après-lui, il devait y avoir dès lors deux types de lumières : le
« feu interne » qui jaillit de nos yeux et le « feu externe » qui vient des
corps lumineux. Cette conception était bien compliquée. Elle a été
généralement admise pourtant jusque vers 1600 !
Extrait de « Optique » A. Meessen, ED. Cabay LLN, 1981
TACHE : Présenter sous une autre forme une information
Suite à la lecture du document ci-dessus, schématise le plus simplement possible la
théorie de chacun des philosophes sur la vision des objets.
A.2. Différents types de sources lumineuses
Au cahier, cite les sources lumineuses qui te passent par la
tête. Ensuite essaie de les classer en catégories.
Ensuite, réalise un organigramme de ces différents types de
sources.
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Applications
1. Dans un tableau à deux colonnes, classe les objets suivants en sources primaires et en
sources secondaires
2. Expérience
Si on allume un petit laser et qu’on le pointe sur le mur, tu peux observer de la lumière à la
source (sortie du laser) et un point lumineux sur le mur.
•
•
•
Vois-tu le rayon lumineux entre le laser et le mur ? Que pourrais-tu faire pour le voir ?
Quelle conclusion peux-tu tirer de cette expérience ?
A la lumière (Haha!) de cette expérience essaie d’expliquer :
ce qu’il faut impérativement (et pourquoi) dans
une salle de spectacles pour obtenir de jolis
faisceaux lumineux comme sur la photo cicontre ?
Pourquoi les feux antibrouillard avant d’une
voiture sont placés plus bas que les phares de
croisement ?
3. Complète le texte par un ou plusieurs mots.
Le Soleil nous éclaire pendant la journée puis la Lune prend le relais à la tombée de la nuit.
Mais la Lune et le Soleil ne nous éclairent pas de la (1). Quelle différence fondamentale
existe-t-il entre ces deux sources de lumière ?
Réponse : le Soleil, comme toutes les étoiles, (2) de la lumière alors que la Lune nous (3) la
lumière qu'elle reçoit du Soleil.
Que voit-on ?
•
•
•
On ne voit pas la (4) mais on voit les objets (5) la lumière qu'ils nous renvoient. Pour voir
un objet, il faut que celui-ci émette de la lumière, et qu’il soit face à l'observateur,
sans obstacle entre eux deux. Plusieurs cas sont alors possibles. Ainsi, une lampe émet
de la lumière qui est reçue par l'œil. De jour, le Soleil éclaire les bâtiments qui nous (6)
un peu de cette lumière. Un miroir (7) la lumière émise par notre visage et le rend
visible.
On appelle source (8) une source de lumière qui (9) de la lumière qu’elle a elle-même
produite. Elle est visible, isolée de toute autre source lumineuse. Le Soleil, le filament
d’une ampoule, un écran de télévision sont des sources primaires de lumière.
On appelle source (10) une source de lumière qui est visible seulement si elle est (11)
Le ciel, les murs des bâtiments et les plafonds sont des sources secondaires de
lumière.
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B. Nature de la lumière
B.1. Le soleil : source de toute énergie sur Terre
Aux origines de tout
On suppose que toute l'énergie est née avec l'univers, d'une
immense explosion : le big-bang (on y reviendra plus tard,
notamment au cours de chimie). Une partie de l'énergie qui est
apparue alors s'est transformée en matière pour former les galaxies, les étoiles dont bien sûr
notre soleil, mais aussi les planètes et donc la terre.
Notre énergie vient principalement du soleil, gigantesque « boule d'énergie » brute. A
chaque seconde, le soleil perd une grande quantité de matière pour se transformer en
énergie. Une petite partie de cette énergie arrive jusqu'à la terre sous forme de chaleur et de
lumière.
L'énergie solaire
Les hommes essaient depuis longtemps de domestiquer l'énergie du soleil, mais elle est
difficile à utiliser, et c'est souvent à titre expérimental qu'on l'emploie. En effet, si la lumière du
soleil nous arrive facilement, sa température reste assez basse, et il faut la collecter et la
concentrer pour augmenter son efficacité.
L’énergie solaire parvient naturellement sur terre sous forme de lumière (énergie lumineuse)
et de chaleur (énergie calorifique). Les techniques modernes permettent de concentrer le
rayonnement pour le convertir en électricité au moyen de générateurs photovoltaïques.
Produits de haute technologie, ils transforment l'énergie lumineuse en électricité.
La lumière est donc bien une forme d’énergie.
TACHE : Décrire, expliquer le fonctionnement d’un objet
Tu vas réaliser un travail de recherche sur les panneaux solaires thermiques et
photovoltaïques.
Consignes
•
•
•
•
•
Titre = Les panneaux solaires
Ce travail fera maximum deux pages
Pour chaque type de panneaux tu devras
Expliquer le principe général (A quoi ça sert
?).
Trouver l’illustration (claire et pas trop
complexe) d’une installation type.
Annoter cette illustration (si ce n’est pas déjà
fait) en indiquant les principaux éléments.
Expliquer le rôle de ces principaux éléments.
Enfin, tu interrogeras quelqu’un qui a installé au
moins un des deux types de panneaux. Demande lui
si il est content de son choix, quels sont les
avantages et les inconvénients de son installation,
quelle sont les économies énergétiques (électricité,
mazout, gaz, ...) et financières que son installation lui
permet, ...
Ton travail sera soigné, bien présenté et écrit dans
un français correct.
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C. Propagation de la lumière
Explique la différence entre la lumière émise par un laser et celle émise par une
lampe de poche.
Schématise un rayon lumineux puis un faisceau lumineux
L’ensemble des rayons lumineux émis par une source de
lumière est appelé faisceau lumineux.
(Remarque: Soyons clair, il est impossible d’isoler un rayon lumineux.
C’est un concept utile pour expliquer certains phénomènes)
La lumière se propage en ligne droite depuis sa source,
quand elle ne rencontre pas d’obstacle.
C.1. Vitesse de la lumière
On voit toujours dans le passé
La machine à remonter le temps existe : vous en avez même deux sur la tête… ce sont vos
yeux !
En effet, la lumière ne voyage pas instantanément. Sa vitesse, très grande mais limitée,
approche 300 000 km/s dans le vide. Un rayon de lumière quittant la surface de soleil met
donc 8 minutes pour parvenir ; et vous voyez notre étoile telle qu’elle était il y a 8 minutes
auparavant.
Ce décalage entre l’émission de lumière et sa réception par nos mirettes, est fondamental
en astronomie où les distances sont énormes.
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Pour venir de l’étoile la plus proche de nous, Proxima du Centaure, la lumière met 4 ans. La
distance entre notre planète et cette étoile est donc de 4 a.l. (années-lumière)
Avec son télescope, lorsque l’astronome regarde loin dans l’espace, il regarde tôt…
Les télescopes sont ainsi de formidables machines à remonter le temps.
L'année-lumière pour remonter dans le temps
La vitesse de la lumière est donc utilisée en astronomie pour évaluer la distance des astres,
principalement des étoiles et des galaxies.
Essayons de comprendre par un exemple simple :
Tu sais par exemple que telle personne habite à 200 m de chez toi, mais tu peux aussi dire
qu'elle habite à 5 minutes de chez toi. Tu peux donc utiliser une mesure de longueur ou de
temps pour calculer une distance. Les astronomes font la même chose avec la lumière pour
mesurer la distance des astres.
Puisque la lumière met un certain temps pour atteindre la Terre, les événements que tu vois
dans le ciel se sont en fait déroulés dans le passé. Si le Soleil explosait maintenant, tu ne
verrais pas l'explosion tout de suite et tu devras attendre 8 minutes 30 s pour l'observer (c'est
le temps nécessaire pour que la lumière du Soleil arrive sur la Terre en voyageant à 300 000
km/s) Inversement, lorsque tu vois le dernier rayon de Soleil disparaître le soir, en réalité le
Soleil est déjà couché depuis 8 minutes !
Le plus étonnant, si un extraterrestre regardait la Terre au télescope ou parvenait capter nos
émissions de télévision depuis une planète située à 64 années-lumière, il ne nous verrait pas.
Puisque la lumière voyage avec une vitesse limitée, il recevrait seulement aujourd'hui les
images des événements qui se sont déroulés il y a 64 ans, vers 1944. Il verrait la seconde
guerre mondiale, la bataille d'Angleterre et le débarquement en Normandie Il verrait même
tes arrières grands-parents alors enfants jouer à la récré ! Incroyable mais vrai ! Par contre
notre extraterrestre devra attendre 64 ans pour voir ce que tu fais actuellement... La lumière
est une vraie machine à remonter le temps, mais virtuellement, car malheureusement on ne
peut pas l'utiliser pour faire physiquement une excursion dans le passé ! Avec la lumière on
peut regarder mais pas toucher !
Ne pas confondre année et année lumière
Une année est une année de temps. Tandis qu’une année- lumière est une
unité de longueur. Il s’agit de la distance parcourue par la lumière dans le
vide en une année, à la vitesse de 300 000 km/s (Cela en fait des km….)
Il arrive parfois que les astronomes expriment une distance en années, mais il
s’agit d’un abus de langage... pas tout à fait dénué de sens cependant, puisque vous voyez
une étoile située dix années-lumière comme il y a dix ans.
Pourquoi n’est–il- pas possible de se télé porter (transplaner)?
Ah ! Faire comme Harry, Ron et Hermione ! Changer de ville en un coup de télé porteur….Ce
serait bien, mais c’est probablement impossible !! Simplement parce Einstein a démontré
scientifiquement que la matière n’était pas capable de se déplacer à la vitesse de la
lumière. Seules des particules comme les photons voyagent à la vitesse de la lumière. Leur
secret ? Leur masse est nulle donc elle n’augmente jamais.
Exploitation du document
Que vaut la vitesse de la lumière ?
Calcule la distance qui sépare le Soleil de la terre ? Explique ta réponse.
Quelle distance équivaut à une année-lumière ?
A quelle distance se situe l’étoile la plus proche ? Développe tes calculs.
Explique le titre de ce document ?
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D. La Diffusion et la Dispersion de la lumière
Quand une source secondaire (par exemple une feuille de papier ou un mur blanc) est
éclairée, elle renvoie dans toutes les directions une partie de la lumière reçue. C’est le
phénomène de diffusion
Seuls les objets de couleur noire ne diffusent pas la lumière. Pourquoi ?
D.1. La composition de la lumière blanche
Expérience :
Plaçons un prisme en verre sur le trajet d’un faisceau lumineux de lumière blanche.
Observations
Après son passage dans le prisme, le faisceau lumineux qui apparaît est formé (1), celles que
l’on retrouve dans(2).
On a obtenu ce que l'on appelle le (3) de la lumière blanche
Interprétation
On dit que la lumière blanche a été (4)
Remarque : On peut également observer la décomposition de la lumière sur la surface d’un
CD, dans une tache d’huile ou une bulle de savon.
D.2. La lumière et la couleur
La couleur n’est ni tout à fait dans l’objet ni tout à fait dans l’œil. Que se passe-t-il quand
nous voyons un objet ?
Nous nous contentons de percevoir la lumière qui a parcouru entre celui-ci et notre œil.
Du coup, dire par exemple que « tel objet est vert » n’a pas vraiment de sens. Il serait plus
exact de dire que « la seule lumière que m’envoie cet objet est verte ». Et encore !
Pour un daltonien, ce objet ne sera pas vert.. . Et si on regarde ce même objet dans une
pièce très sombre, nous le verrons tous incontestablement gris !!!!!
Pas facile tout ça…
Travail de réflexion. Les schémas de la page suivante peuvent t’aider !!!
A toi de chercher les réponses aux questions défis suivantes :
Pourquoi le ciel est-il bleu ?
Quelle est la couleur d’un trou noir ? Oui mais pourquoi ?
Pourquoi la nuit est-elle noire alors que la multitude d’étoiles devrait l’éclairer comme
en plein jour ?
Quelle est la couleur du ciel sur la Lune ? Pourquoi ?
Pourquoi le ciel rougit-il lorsqu’il se couche ?
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SYNTHESE DES INFORMATIONS
La couleur d’un objet dépend de la couleur de la lumière qui l’éclaire.
Un objet éclairé en lumière blanche a la couleur de la lumière qu’il diffuse
Un objet coloré absorbe une partie de la lumière blanche qu'il reçoit et diffuse la lumière
colorée que notre œil voit : un objet rouge est un objet qui absorbe toutes les lumières
colorées sauf la lumière rouge
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E. Quand la lumière est déviée :
Réflexion et Réfraction
Souviens-toi, nous avons observé que la lumière se propage en ligne droite ! En fait,
ceci est vrai lorsqu'elle se propage dans un milieu isotrope, c'est à dire dans un
milieu dont les propriétés physiques sont les mêmes dans toutes les directions. Le
vide interstellaire est un milieu isotrope, et en première approximation l'air en est un.
Expérience préliminaire
Versons de l’eau colorée à l’aide de fluorescéine dans une cuve.
Envoyons un faisceau de rayons lumineux sur la surface libre du liquide. Qu’observonsnous?
1
2
3
Schématisation
4
Au cahier, définis:
La réflexion de la lumière
La réfraction de la lumière
Un dioptre
Questions
1. Combien de dioptres caractérisent un double vitrage?
2. Combien y a-t-il de milieux différents? Lesquels
3. Combien de dioptres possède un verre de lunettes ?
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E.1.
La REFLEXION
Tu t’es déjà certainement observé au -dessus d’un plan d’eau… Par
ailleurs, qui ne s’est pas déjà amusé à aveugler quelqu’un à l’aide d’un
miroir ? Les premiers miroirs datent de plusieurs siècles avant Jésus-Christ.
Ils sont constitués de fines plaques métalliques d’argent, de bronze,
d’étain ou d’or, convenablement polies. La facilité de fabrication d’un
miroir a permis d’étendre son usage .Les miroirs se retrouvent dans de
nombreux instruments d’optique, du miroir du dentiste au télescope, en
passant par les appareils photo…
Comment l’homme explique-t-il la formation d’images par les miroirs ?
La première amorce de réponse trouve son origine chez les Grecs anciens, environ 3 siècles
avant notre ère. Ainsi, il semblerait que ce soit Euclide (célèbre géomètre grec) qui ait établi
la loi de la réflexion que tu découvriras ci-après.
Les lois de la réflexion
Au cahier, écris les deux lois de la
réflexion.
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E.2. La REFRACTION
L'été, lorsque tu te trempes les pieds aux bords d'une
piscine, n'as-tu jamais remarqué qu'ils semblent
détachés de ton corps… Etrange, n'est-ce pas ! Dans
l'air, la lumière t'envoie une image cohérente de tes
jambes et de tes pieds alors que lorsqu'ils sont
immergés, l'image devient brisée. L'image redevient
cohérente si tout ton corps est immergé.
La perception brisée d'objets nous apparaît donc
seulement lorsque l'observateur est dans un milieu et
l'objet dans un autre milieu transparent. Ce
phénomène qui produit une perception brisée est
appelé réfraction. En latin, le mot réfraction signifie
brisé.
Ceci nous conduit donc à penser que la lumière à des
comportements différents lorsqu'elle est dans l'eau et passe à l'air. L'eau a donc une
propriété qui la distingue de l'air: une propriété caractéristique.
Loi de la réfraction
a) Le rayon incident frappe la surface de séparation entre les deux milieux appelée dioptre au point
d'incidence M. Il pénètre dans le verre en se réfractant; le rayon dans l'air est appelé rayon
incident. La perpendiculaire à la surface de séparation ou dioptre élevée au point « m » » est appelée
normale au point d'incidence.
b) Les angles mesurés ici sont:
ଙԦ : angle d'incidence formé par le rayon incident et la normale au point d'incidence
ሬ࢘Ԧ: angle de réfraction formé par le rayon et la normale au point d'incidence.
c) Le tableau des valeurs angulaires ne permettait pas la formulation de la loi. Tout au plus peut-on dire
que l’angle i > angle r. On dira que l'air est un milieu moins réfringent que le verre.
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Exercices
Dans le cas n° 1:
le milieu A est plus réfringent que le milieu B,
le milieu B est plus réfringent que le milieu A,
les milieux A et B sont aussi réfringents l'un que l'autre, ".
aucune proposition n'est valable.
Dans le cas n° 2:
le milieu C est plus réfringent que le milieu D,
le milieu D est plus réfringent que le milieu C,
les milieux C et D sont aussi réfringents l'un que l'autre,
aucune proposition n'est valable.
Quelques « applications » du phénomène de réfraction
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E.3. Les lentilles
Une lentille est un morceau de milieu transparent homogène, a
une surface de forme particulière pour que les rayons qui la
traversent soient déviés (réfractés) d’une manière bien
coordonnée.
Il existe 2 types de lentilles :
E.3.1. Propriétés des lentilles convergentes ou biconvexes
Quel est l’effet d’une lentille biconvexe sur un faisceau lumineux ?
Explique très brièvement comment on peut allumer un feu, par temps ensoleillé avec une
loupe (= lentille biconvexe.)
La réfraction dans une lentille biconvexe
Envoyons des rayons incidents parallèles à l’axe principal sur une face bombée de la
lentille
Trace-les ainsi que les rayons réfractés
Le FOYER « F » d’une lentille est le point où convergent les rayons lumineux après le passage
dans la lentille. En retournant la lentille, le faisceau lumineux converge également, et à même
distance de la lentille, en un point appelé également » Foyer ». Il y a donc un foyer de chaque
côté de la lentille ; celui qui se trouve du côté de l’objet est appelé « foyer objet » et noté F ou
Fo ; l’autre foyer est le « foyer image », noté F’ ou Fi.
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LE CENTRE OPTIQUE de la lentille symbolisé par la lettre « O » est le point par lequel les
rayons qui traversent la lentille ne sont pas déviés.
LA DISTANCE FOCALE « f » d’une lentille est la distance entre le foyer et le centre de la lentille.
C’est la distance qui conditionne la formation d’une image.
En résumé :
1. Tout rayon parallèle à l’axe optique...
2. Tout rayon passant par le foyer de la lentille...
3. Tout rayon passant par le centre optique...
E.3.2. Image donnée par une lentille convergente
Complète les phrases ci-dessous :
On éloigne l’objet de la lentille, pour que l’image reste nette, l’écran doit être (1) et l’image
obtenue sera (2)
On approche l’objet de la lentille (sans dépasser son foyer), pour que l’image reste nette,
l’écran doit être (3) et l’image obtenue sera (4)
On place l’objet entre le foyer et la lentille, l’image sera (5). Dans ce dernier cas, la lentille
fonctionne alors comme une (6)
E.3.3. Construction géométrique des images
1.
2.
3.
4.
5.
L'objet se trouve à une distance supérieure à 2f (= deux fois la distance focale)
L'objet se trouve à une distance de 2f (= à deux fois la distance du foyer à la lentille)
L’objet se trouve entre 2f et f (entre deux fois la distance du foyer et une fois)
L’objet se trouve au foyer.
L'objet se trouve entre le foyer F et la lentille (donc très près de la lentille)
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E.3.4. Exercices
1. Une flèche lumineuse de 20 cm est placée sur l’axe principal d’une lentille biconvexe de distance
focale égale à 30 cm. La distance de la flèche à la lentille est de 80 cm. Trouve graphiquement
l’emplacement et la hauteur de l’image.
2. Même problème pour des distances de la flèche à la lentille égale à 40 cm et 20 cm.
3. Construis l’image d’un objet de 1,5cm de haut placé sur l’axe principal à 3,5 cm d’une lentille
biconvexe L1 de distance focale 2cm, suivie d’une seconde lentille biconvexe L2 de distance
focale 1,5 cm, placée à 7,5 cm de la première.
4. Une lentille convergente donne d’un objet, placé perpendiculairement à l’axe et à 5 cm de la
lentille, une image virtuelle se formant à 15 cm de celle-ci. Détermine graphiquement la distance
focale de la lentille et les dimensions de l’image en fonction des dimensions de l’objet choisi.
5. Un objectif photographique est braqué sur un groupe de personnes. La plus proche est à 3 m, la
plus éloignée à 8 m. La focale de cet objectif étant de 5 cm, où le film devrait-il se trouver pour
qu’il se forme sur lui des images nettes ?
6. On a une lentille convergente de 20 cm de focale. Où faut-il placer un objet, si l’on veut que
l’image soit réelle et de la même grandeur que l’objet ?
7. Une lentille convergente a une distance focale de 6 cm. Un objet dont la grandeur est de 4 cm est
placé à la distance d de la lentille. Déterminer l’image.
a) d = 3 cm. b) d = 6 cm. c) d = 12 cm. d) d = 18 cm.
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F. L'oeil
F.1. Un peu d’anatomie…
L'oeil humain apparaît comme un
globe d'environ 2.5 cm de
diamètre.
Ce globe est entouré d'une membrane, (1)
qui est constituée d'un tissu fibreux solide qui
entoure le globe oculaire. Elle contient de
fins tissus sanguins (lorsque l'oeil est irrité, les
vaisseaux sanguins se dilatent et le blanc de
l'oeil apparaît rosé ou injecté de sang).
C'est donc une fine membrane protectrice
qui forme à l'avant (c'est à dire la partie
externe de l'oeil) une sorte de hublot
bombé: (2) ne joue pas seulement le rôle
d'une vitre transparente mais possède
également la fonction d'un dioptre; qui se
comporte comme une lentille concentrant
les rayons lumineux vers l'intérieur de l'oeil.
La sclérotique est recouverte d'une seconde membrane, qui s'appelle (3) dotée d'une riche
vascularisation. A l'avant et au voisinage de la cornée, elle se prolonge et se termine par une
membrane circulaire : (4) Ces deux membranes permettent la protection de la pupille et de
la rétine. L'iris donne à l'oeil sa couleur caractéristique et n'est pas complètement fermée. Elle
est percée en son centre d'un trou (5) dont le diamètre variable est du à l'action "réflexe" des
muscles de l'iris, sensibles à l'intensité de la lumière. La pupille se contracte ou se dilate,
réglant ainsi le flux de lumière que l'oeil va recevoir.
Accolé à la surface interne de l'iris se trouve (6) : il constitue le deuxième dioptre et il est
suspendu aux muscles ciliaires; il a la forme d'une lentille convergente et biconvexe.
Enfin, (7) est la dernière membrane interne de l'oeil :elle tapisse toute la surface interne. C'est
une membrane nerveuse et sensible à la lumière qui reçoit les images. L'épaisseur de la rétine
ne dépasse pas 0.5 mm. Elle est composée de cellules photo-sensibles qui fixent la lumière :
les bâtonnets sont sensibles à l'intensité de la lumière et les cônes permettent de distinguer les
couleurs. Cependant elle présente une petite dépression (environ 0.1 mm d'épaisseur)
appelée "la tâche jaune" (ou fovea) : c'est dans cette zone que se forme l'image la plus
nette de l'objet.
Non loin de la tâche jaune se trouve le point aveugle représentant l'émergence du nerf
optique.
L'oeil est rempli de liquide : entre la cornée et le cristallin on trouve (8) composée d'un ultra
filtrant de plasma sanguin. Le reste du volume oculaire est composé d'un gel (9) composé de
99% d'eau.
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F.2. Formation des images dans l’œil
Dans l’œil…
Lorsqu'une personne regarde autour d'elle, les rayons lumineux frappent sur les objets
qui l'entourent et sont renvoyés, en ligne droite, jusqu'à son oeil. C'est à ce moment
que se déclenche tout un processus de réfraction. Les rayons lumineux, en entrant
dans l'oeil subissent l'action d'une première lentille, la cornée. Cette première lentille
est convexe et dévie les rayons lumineux. Ceux ci vont subir une deuxième déviation
lors de leur passage dans la lentille suivante, qui est biconvexe: le cristallin. Les rayons
lumineux finissent par se couper en un point (voir ci-dessous) au niveau de la rétine:
ce point correspond à la zone de la tâche jaune où l'image est projetée. Cependant
lors de la réunion des rayons lumineux en un même point, l'image apparaît inversée
sur la rétine. Cette image sera transmise au nerf optique puis au cerveau qui
transformera l'image: c'est à ce moment
que l'on perçoit l'objet net grâce à
l'accommodation
Donc, Lorsque l'oeil est normal (sans défaut
visuel ou emétrope), et que l'objet se trouve
loin, l'image se formant sur la rétine est
perçue avec netteté
Si au contraire, l'objet est proche, l'image se
forme derrière la rétine. Le cristallin, très
souple, jusqu'au environ de 40 ans, va se
bomber, réalisant l'accommodation et
ramènera l'image sur la rétine. Le cerveau va
donc recevoir une image parfaitement
nette.
F.3. Les défauts de la vision
Une personne sur deux nécessite des lunettes ou des
lentilles de contact pour corriger un défaut visuel.
Proportion destinée à s'accroître, en raison de
l'allongement de la durée de vie de la population.
Les trois amétropies (défauts de la vision) sont la myopie,
l'hypermétropie et l'astigmatisme. La presbytie, quant à
elle, est une gêne de la vision de près qui nous guette à
partir de la quarantaine.
LA MYOPIE
La myopie se traduit par une gêne pour voir de loin,
laquelle est en principe moins importante en vision
rapprochée.
Un oeil myope est un oeil trop long ou trop puissant.
Le foyer image se forme en avant de la rétine, le
cerveau reçoit une image floue.
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Un verre concave (ou négatif), diminue sa puissance et
transporte le foyer image sur la rétine en faisant diverger
les rayons.
L'HYPERMETROPIE
L'hypermétrope voit en principe mieux de loin que
de près.
A l'inverse de la myopie, l'oeil est trop petit ou pas
assez puissant. Le foyer image se forme derrière la
rétine, le cerveau reçoit une image floue.
Un verre convexe (ou positif), augmente sa
puissance, et ramène le foyer image sur la rétine
en faisant converger les rayons.
L'ASTIGMATISME
L'astigmate voit de façon médiocre de près comme de
loin, il confond souvent des lettres proches comme le H
et M. Un astigmate a une vision déformée des objets.
L'astigmatisme est un défaut de la courbure de la
cornée (ou du cristallin) qui agit sur un axe (horizontal,
vertical ou oblique) et dénature la vision.
Un verre torique (ou cylindrique), rétablit la bonne
perception des axes.
LA PRESBYTIE
Avec l'âge, cette capacité accommodative diminue.
Cela est dû à la fois au grossissement et au durcissement du
noyau cristallin, à la faiblesse du muscle qui permet
l'accommodation et à une diminution de l'élasticité de la
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capsule du cristallin. Vers 45 ans, la vision de près commence à baisser, et cette gêne
s'accentue jusqu'à 60 ans.
Chez l’hypermétrope, la presbytie est gênante plus tôt. Chez le myope, cela arrive plus tard,
celui-ci retirant, ses lunettes utilisées pour la vision de loin pour lire.
La presbytie nécessite donc le port d'une correction en vision de près différente, le cas
échéant, de la correction de loin (doubles foyers, verres progressifs ou lentilles de contact
multifocales).
G. Quand l’information voyage à la vitesse de la
lumière : Les fibres optiques
Il est loin le temps des « téléphones à lumière » inventés par G.
BELL. Les « photophones » des années 1880, capables de
transformer la voix en signaux lumineux, de les propager sur 100
à 200 mètres et de restituer le message sonore, furent
rapidement abandonnés vu leurs faibles performances.
Cependant l’idée de transporter de l’information avec de la
lumière est réapparue voici une trentaine d’années grâce aux
fibres optiques.
Communiquer à la vitesse de la lumière par les fibres optiques. Comment cela marche-t-il ?
S’agit-il de réflexion ou de réfraction de la lumière ? Quels sont les avantages de ce mode de
transport de l’information ?
Expérience
1. Éclaire un hémisphère en plexiglas en envoyant le faisceau lumineux du côté arrondi.
2. Observe le faisceau lumineux.
3. Schématise le trajet du faisceau lumineux pour différentes positions du plateau
tournant qui supporte l’hémicylindrique.
4. Reporte tes résultats dans un tableau.
5. Explique comment fonctionnent les fibres optiques en t’aidant de ce que tu viens
d’observer à l’aide du demi-cercle en plexiglas.
6. Rédige un rapport d’expérience structuré pour cette expérience (explique le
fonctionnement des fibres optiques dans la conclusion)
Principe de fonctionnement : la réflexion totale interne
La fibre optique, fibre ou fine tige de verre ou d'un autre matériau transparent, possédant un
indice de réfraction élevé, permettant la propagation guidée de la lumière .
Le type de propagation des fibres optiques repose sur le principe de la réflexion totale.
Le déplacement des ondes lumineuses dans la fibre optique est conditionné par le principe
de la réflexion totale interne. Ce principe repose sur deux phénomènes :
•
•
un rayon lumineux doit passer d’un milieu plus réfringent vers un milieu moins
réfringent.
lorsque l'angle d'incidence du rayon lumineux est plus grand que l'angle critique, la
lumière est réfléchie en totalité et il n'y a aucune perte de lumière.
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L'angle de réfraction doit dépasser l’angle critique !
Les rayons lumineux qui se propagent le long du cœur de la fibre heurtent sa surface avec un
angle d'incidence supérieur à l'angle critique : la totalité de la lumière est alors réfléchie dans
la fibre (voir schéma ci-dessus). La lumière peut ainsi se propager sur de longues distances,
en se réfléchissant des milliers de fois
Applications
Une des applications la plus spectaculaire de cette
technique
est
sans
doute
la
fabrication
d'endoscopes.
Un endoscope est un appareil permettant au
médecin d'explorer l'intérieur du corps, entre autres
l'estomac, les poumons, la vessie, l'utérus, voire
l'articulation du genou, afin d'y déceler une
maladie ou un autre trouble. Il contient deux longs
faisceaux de fibres optiques, que l'on introduit
lentement par un orifice naturel (la bouche, par
exemple), ou au moyen d'une petite incision chirurgicale .L'un des faisceaux transmet la
lumière dans la cavité naturelle, et éclaire la zone à examiner. L'autre transmet l'image de
cette zone au médecin pratiquant l'endoscopie. Un endoscope doté de pinces biopsiques
permet au chirurgien de prélever un fragment de tissu, afin d'établir un diagnostic. Grâce à
cette méthode, le patient peut subir les premiers examens. sans intervention chirurgicale
majeure.
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DOCUMENT. A la découverte des fibres optiques
Les fibres optiques sont un exemple d’application du
phénomène de la « réflexion totale ». Il s’agit de fibres de
verre ou de plastique d’un diamètre d’environ 50 µm (1µm
= 0,001 mm), environ l’épaisseur d’un cheveu humain.
A cause du petit diamètre, la plupart de la lumière entrant
à une extrémité tombe sur la surface cylindrique latérale
sous un grand angle d’incidence ; elle subit alors une
réflexion totale. Cela signifie qu’un rayon incident arrivant à
la surface de la fibre est entièrement réfléchi et pas du tout
réfracté. Cela peut se répéter des centaines de fois par
centimètre, pendant que le faisceau se propage le long de
la fibre. La surface lisse de la fibre doit être gardée de toute
impureté, sinon les conditions aux limites changent et il y a fuite de lumière. Pour cela
chaque fibre est en général enveloppée dans une gaine transparente d’un matériau
particulier, qui renvoie la lumière dans la fibre et des amplificateurs de lumière sont placés
périodiquement pour compenser les pertes. Ces fibres minces sont flexibles et, si elles ne sont
pas repliées de façon trop serrée, elles peuvent transmettre la lumière avec relativement peu
de pertes, même si elles sont entortillées et font des boucles.
En utilisant certaines techniques sophistiquées de transmission, une paire de fils de cuivre peut
transmettre jusqu’à environ 24 conversations téléphoniques simultanées (en même temps).
Pour une idée de la quantité d’informations que cela représente, notons qu’une seule
transmission de télévision ordinaire équivaut à 1300 entretiens téléphoniques simultanés, euxmêmes équivalents à l’envoi de 2500 pages dactylographiées chaque seconde ! A présent, il
n’est donc pas pratique d’essayer de transmettre une émission de télévision au moyen de
lignes téléphoniques en cuivre. En comparaison, il est déjà possible de transmettre plus de
12000 conversations simultanées avec une seule paire de fibres optiques, ce qui représente
plus de neuf chaînes de télévision.
Dans un tout autre domaine, il est fréquent d’envoyer les fibres optiques pour observer des
endroits complètements inaccessibles, comme l’intérieur d’un réacteur nucléaire, d’un
moteur d’avion, de l’estomac ou d’autres organes. Le dispositif utilisé pour visualiser des
parties internes du corps est appelé endoscope.
D’après « physique » E. Hecht éd . De
Boeck,
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