La lumière est déviée lors de la réfraction

1ere L ILLUSIONS.
Document produit par le Lycée Toulouse Lautrec -31000 Toulouse
PROGRAMME :
Utiliser la notion de persistance rétinienne pour interpréter un mouvement apparent
Distinguer les phénomènes de réflexion et de réfraction.
MATERIEL :
Bureau :
Emi-cylindre en plexiglas + source émettant un faisceau lumineux peu divergent. (ou laser)
Expérience simulant les mirages (froid : eau + sel ; mirage chaud eau + éthanol en surface) + laser
Expérience des deux bougies séparées par une plaque de verre
Expérience du bâton brisé
Tige de verre, bécher rempli d’eau, bécher rempli de glycérol.
Disque tournant avec secteur noir + stroboscope.
I] QUAND LES LOIS DE LA PHYSIQUE NOUS ABUSENT
1) Rayon lumineux
Nous voyons les objets si ceux-ci se comportent comme des sources de lumière. (ils sont éclairés et nous
renvoient la lumière : la lumière se propage des objets vers nos yeux).
Dans un milieu homogène tel que l’air, la lumière se propage en ligne droite
Notre cerveau interprète la position des objets d’après cette propriété.
2) Réflexion, réfraction
Ces manipulations peuvent réalisées par les élèves (mais les faire au bureau est tout aussi visuel et permet de
gagner du temps) a) Réflexion Compléter le schéma
Le rayon lumineux réfléchi appartient au milieu incident
LA LUMIERE EST « RENVOYEE » LORS DE LA REFREXION
Rmq : L’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence
C’est comme si la lumière « rebondissait sur l’obstacle »
b) Réfraction ; indice d’un milieu transparent
Compléter le schéma
Le rayon lumineux réfracté, appartient au second milieu
LA LUMIERE EST DEVIEE LORS DE LA REFRACTION
Rmq : Pour un même angle d’incidence, l’angle de réfraction dépend
d’une grandeur propre au milieu transparent : son indice n
3) Illusions
- Le miroir : un problème de réflexion
Les élèves ayant depuis longtemps intégré le fonctionnement
d’un miroir ne trouvent en général pas qu’il s’agit d’une
illusion d’optique. Il faut leur prendre l’exemple d’un jeune
chien face à son image .
D’autre part l’expérience avec la bougie leur permet de mieux
comprendre cet aspect « illusion »
- Le bâton brisé : un problème de réfraction
Faire l’expérience (attention au positionnement du bâton dans l’aquarium)
- Les mirages : un problème de réfraction continue
Faire l’expérience et expliquer avec des
couches successives (multiples réfraction
 passage à la réfraction continue)
Rmq :il y a « réflexion totale » sur le bas de
la courbure
Rayon incident
Verre
Air
Rayon incident
Verre
Air

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- La tige de verre qui disparaît : Dans l’air, le verre transparent et incolore reste visible car à sa surface la lumière
subit les phénomènes de réfraction et réflexion …
Faire l’expérience : une tige de verre est observée dans l’air  elle est visible
La même tige de verre est plongée dans l’eau  elle reste visible
La même tige de verre (séchée) est plongée dans le glicérol  elle disparaît.
Le glycérol ayant quasiment le même indice que celui du verre, pour la lumière les deux milieux sont
identiques : il n’y a plus ni réflexion ni réfraction à la surface du verre, la diférence de milieu n’est plus
décelable.
II] QUAND NOTRE ŒIL NOUS ABUSE.
1) Mise en évidence de la persistance rétinienne.
Expérience : Faire tourner de plus en plus vite un disque avec le secteur noir.
Observations : Le secteur devient moins net puis lorsque la vitesse est suffisante, le secteur n’est plus discernable
(l’ensemble du disque est de couleur grise uniforme)
Interprétation : Les récepteurs de lumière sur la rétine ont un temps de réaction qui n’est pas infiniment court.
L’impression lumineuse reçut met un certain temps à disparaître (de l’ordre de quelques 100eme de secondes)
C’est le phénomène de persistance rétinienne.
Le secteur noir est remplacé par la zone blanche trop rapidement pour être perçu : Le disque apparaît uniforme.
2) Utilisation de la persistance rétinienne.
Au cinéma : 24 image fixes par seconde, remplacées avec un temps où l’écran est noir  le noir n’est pas perçu
car trop bref et les images semble s’enchaîner dans la continuité.
A la TV : l’écran est balayé 50 fois par secondes
3) Illusion associées : mouvement apparent.
On éclaire avec un stroboscope le disque tournant. (un stroboscope émet de très bref éclairs séparés d’une durée
réglable)
Lorsque entre deux éclairs le disque fait un tour complet
(fréquence d’éclairement = fréquence de rotation du disque)
On observe : Immobilité apparente Coller le document 1
Eclair positions intermédiaires non observées (dans le noir) Eclair
 positions éclairées  mouvement apparent
IMMOBILITE
Lorsque entre deux éclairs le disque fait un peu moins d’un tour complet
(Fréquence d’éclairement légèrement supérieure à la fréquence de rotation du disque)
On observe : mouvement ralenti inverse Coller le document 2
Eclair positions intermédiaires non observées (dans le noir) Eclair
 positions éclairées  mouvement apparent
RALENTI INVERSE

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Lorsque entre deux éclairs le disque fait un peu moins d’un tour complet
(Fréquence d’éclairement légèrement supérieure à la fréquence de rotation du disque)
On observe : mouvement ralenti sens direct Coller le document 3
Eclair positions intermédiaires non observées (dans le noir) Eclair
 positions éclairées  mouvement apparent
RALENTI DIRECT
III] QUAND NOTRE CERVEAU NOUS ABUSE.
Si l’on n’a pas le temps de faire cette partie ce n’est pas gênant car elle ne fait pas parti des objectifs et des
compétences exigibles en physique. Mais cette partie permet de faire le lien avec les SVT où les problèmes
d’illusion sont évoqués.
ETUDE DE TEXTE : La prise de vue est médiocre : l'image est inversée, sans relief, mouvante, barbouillée de
couleurs changeantes, mouchetée d'aberrations optiques et amputée d’un disque noir en plein cœur.
Non il ne s’agit pas d’une scène filmée à l’épaule par un cinéaste amateur. Mais bien de l’image qui se forme au
fond de nos yeux. Une matière première de piètre qualité que le cerveau se charge de travailler pour nous donner
une vision du monde en trois dimensions stable et cohérente. Il remet les scènes à l’endroit, interprète la palette
de couleurs, élimine les mouvements qui ne sont dus qu’à l’agitation oculaire, réinvente les contours cachés,
supprime la tache aveugle, cette zone de la rétine dépourvue de cellules visuelles à l’endroit où part le nerf
optique, etc.
Mais dans cette lourde entreprise, le cerveau en fait parfois un peu trop. Il construit tant et si bien qu’il fini par
mettre du sens partout, y compris là où il n’y en a pas. C’est ainsi que naissent les illusions visuelles : des
couleurs identiques qui paraissent différentes, des contours qui jaillissent sans avoir été dessinés, des images
inertes qui s’animent. D’après Anne DEROISE ‘‘L’œil et la vision’’ Hors série de Sciences et Vie , septembre 2001
1) Questions
a) Pourquoi l’image est inversée ? C’est l’image obtenue au travers d’une lentille convergente (l’ensemble
cornée - humeur aqueuse – cristallin)
b) Pourquoi est-elle mouvante ? C’est dû à l’agitation oculaire (l’œil bouge dans son orbite)
c) Pourquoi les couleurs sont changeantes ? Il y d’une part les condition d’éclairage (voir cours suivant) et
d’autre part suivant l’endroit où se forme l’image sur la rétine, la répartition cône – bâtonnets n’est pas
toujours la même.
d) Pourquoi l’image est-elle amputée d’un disque noir en plein cœur ? c’est la zone d’où part le nerf optique (la
tache aveugle qui ne comporte aucun photorécepteur (ni cône, ni bâtonnets)
2) Quand l’information n’arrive pas bien Problème de contraste
Nous disposons d’environ 100 million de
photorécepteurs (cônes et bâtonnets) sur
le fond de l’œil (la rétine) mais seulement
1 million de neurones qui sont connectés.
L’information des photorécepteurs est
donc ‘‘compilée’’ puis reconstruite par le
cerveau.
Seule la zone centrale de la vision (la tache jaune ou macula) est suffisamment discriminante pour distinguer et
séparer correctement les intersections blanches. Dans les autres zone de la rétine (observation périphériques),
l’image moins précise puisqu’il y moins de « connexions » est partiellement reconstituée en mélangeant les
informations de plusieurs photorécepteurs. (ajout de taches grises aux croisements)

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3) Problème d’interprétation abusive. (qui est le plus grand ?)
Notre cerveau pour reconstruire et interpréter les informations qu’il reçoit, utilise les informations
complémentaires qu’il reçoit (dessins de gauche) ou fait appel à son expérience (dessins de droite)