Système optique et formation des images

Représentation visuelle
Chapitre 1 : L’œil : Système optique et formation des images
Ce que vous savez déjà…
- Dans un milieu transparent et homogène (air de la salle de classe), la lumière se
propage en ligne droite.
- On représente donc un rayon lumineux par une droite fléchée indiquant le sens de
propagation.
1) Faire une frise chronologique (précisant les dates, noms et l'idée générale) retraçant les
dates de la compréhension de la vision.
2) Quelles sont les deux conditions de visibilité d'un objet.
3) La nuit dans une pièce sombre éclairée par une lampe un observateur regarde un bouquet
de fleurs dans un vase.
Proposer un schéma récapitulatif correspondant au trajet réel suivi par la lumière perçue par
l’œil lors de l'observation d'un objet. (les 3 mots en gras doivent apparaître sur votre schéma).
I- Décrire le modèle de l’œil et le mettre en correspondance avec l’œil normal
Sur son passage, la lumière traverse successivement la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin, le corps
vitré […]. Soit une succession de corps transparents qui, à eux tous, jouent un rôle de lentille
convergente pour amener les rayons lumineux sur un point précis de la rétine, la macula.
Science et Vie – Hors série n°216 – Septembre 2001
1) Sur quelle partie de l’œil se forme l’image de l’objet ?
2) Quelle autre partie de l’œil semble importante pour la vision ? Par quel « instrument » de
physique peut-on remplacer cette partie ?
3) Vous possédez sur votre table un jeu de lentilles.
a) Comment peut-on définir une lentille ?
b) On peut classer les lentilles en deux catégories. Tentez de retrouver ces deux
catégories en observant la forme des lentilles.
4) Il existe une autre possibilité pour différencier ces deux catégories de lentilles, laquelle ?
5) Diriger un faisceau de rayons parallèles sur chaque catégorie de lentille. Observer le
faisceau émergeant et le schématiser.
6) Schématiser (avec un regard de physicien et non d'artiste!) l’œil réduit.
II- Quelles sont les caractéristiques d'une lentille mince convergente ?
Schéma d'une lentille convergente :
Légender le schéma suivant par les mots :
– Axe optique
– Lentille convergente
– Centre optique
– Objet
– Foyer objet
– Foyer image
divergente :
Une lentille convergente est caractérisée par sa distance focale f. La distance focale est la
distance entre le foyer image et le centre optique ( = distance centre optique – foyer image)
Indiquer ou se trouve la distance focale f sur le schéma précédent.
Manipulation :
En utilisant une lentille convergente et votre source de lumière, réalisez les situations suivantes.
Vous tracerez les rayons manquants puis vous décrirez de manière précise (avec une phrase!)
vos observations.
1) Le rayon incident est parallèle à l’axe optique. Tracer le schéma correspondant à cette
situation
–
–
Déterminer la position du foyer principal image.
En déduire la position du foyer principal objet
2) Le rayon incident passe par le centre optique O. Tracer le schéma correspondant à cette
situation.
3) Le rayon incident passe par le foyer principal objet F. Tracer le schéma correspondant à
cette situation.
III- Comment les opticiens classent-ils leurs lentilles
Pour répondre aux prescriptions des médecins
ophtalmologistes et réaliser les verres des
lunettes, les opticiens n’utilisent pas la distance
focale pour différencier leurs lentilles mais
utilisent plus volontiers la vergence C.
Relation entre la vergence et la distance focale :
1
- f : distance focale en mètre (m)
C=
f
- C : vergence en dioptrie (δ)
Les opticiens disposent de lentilles convergentes
à 0.25, 0.5, 0.75 δ…et de lentilles divergentes à
–0.25, -0.5, -0.75 δ … pour la fabrication des
lunettes par exemples.
1) Quels types de verre, la patiente porte-t-elle pour corriger sa vision de loin ? Sa vision de
près ? Justifier votre réponse.
2) Vérifier par le calcul que des verres de distance focale f = 66,7 cm corrigent bien la vision de
près des yeux de la patiente.
3) Calculer la distance focale du verre qui corrige la vision de loin de l’œil gauche de la patiente.
IV- Quelles sont les caractéristiques de l’image d’un objet au travers d’une
lentille convergente ?
1) Étude expérimentale
Expérience :
On utilisera un banc d’optique, ses
accessoires et une lentille convergente.
Quelle est la caractéristique principale
de l'image ?
Le cristallin pouvant être modélisé par
une lentille convergente, pourquoi ne
voyons nous pas le monde à l'envers ?
2) Détermination des caractéristiques d'une image par méthode graphique
- Prendre une feuille A4 en format paysage.
- Réaliser un schéma comportant une lentille convergente de distance focale f’ égale à 3 cm.
- Placer un objet AB (AB = 2 cm) à 10 cm de la lentille. Déterminer graphiquement l’image A’B’
de AB en exploitant les 3 règles de construction.
- Faire de même (prendre une autre couleur) pour un objet placé à 4 cm de la lentille.
- Décrire l’image obtenue pour les deux schémas
Conclusion
Dans la modélisation de l’œil, l’écran correspond à ………………. et la lentille convergente au
……………..
Peut-on alors déplacer l’écran pour obtenir une image nette ? Pourquoi ?
Représentation visuelle
Chapitre 1 : L’œil : Système optique et formation des images correction
Ce que vous savez déjà…
- Dans un milieu transparent et homogène (air de la salle de classe), la lumière se
propage en ligne droite.
- On représente donc un rayon lumineux par une droite fléchée indiquant le sens de
propagation.
1) Faire une frise chronologique (précisant les dates, noms et l'idée générale) retraçant les
dates de la compréhension de la vision.
2) Quelles sont les deux conditions de visibilité d'un objet.
– Objet éclairé par une lumière
– des rayons lumineux issus de l'objet doivent pénétrés dans l'oeil
3) La nuit dans une pièce sombre éclairée par une lampe un observateur regarde un bouquet
de fleurs dans un vase.
Proposer un schéma récapitulatif correspondant au trajet réel suivi par la lumière perçue par
l’œil lors de l'observation d'un objet. (les 3 mots en gras doivent apparaître sur votre schéma).
I- Décrire le modèle de l’œil et le mettre en correspondance avec l’œil normal
Sur son passage, la lumière traverse successivement la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin, le corps
vitré […]. Soit une succession de corps transparents qui, à eux tous, jouent un rôle de lentille
convergente pour amener les rayons lumineux sur un point précis de la rétine, la macula.
Science et Vie – Hors série n°216 – Septembre 2001
1) Sur quelle partie de l’œil se forme l’image de l’objet ?
- Sur la rétine (macula)
2) Quelle autre partie de l’œil semble importante pour la vision ? Par quel « instrument » de
physique peut-on remplacer cette partie ?
- Le cristallin est très important dans le processus de vision. Il peut être modélisé par une
lentille convergente
3) Vous possédez sur votre table un jeu de lentilles.
a) Comment peut-on définir une lentille ? Pavé de verre d'épaisseur variable
b) On peut classer les lentilles en deux catégories. Tentez de retrouver ces deux
catégories en observant la forme des lentilles.convergente (bord mince) et divergente (centre
mince)
4) Il existe une autre possibilité pour différencier ces deux catégories de lentilles, laquelle ?
Regarder à travers des lentilles.
5) Diriger un faisceau de rayons parallèles sur chaque catégorie de lentille. Observer le
faisceau émergeant et le schématiser.
6) Schématiser (avec un regard de physicien et non d'artiste!) l’œil réduit.
II- Quelles sont les caractéristiques d'une lentille mince convergente ?
Schéma d'une lentille convergente :
Légender le schéma suivant par les mots :
– Axe optique
– Lentille convergente
– Centre optique
– Objet
– Foyer objet
– Foyer image
divergente :
Une lentille convergente est caractérisée par sa distance focale f. La distance focale est la
distance entre le foyer image et le centre optique ( = distance centre optique – foyer image)
Indiquer ou se trouve la distance focale f sur le schéma précédent.
Manipulation :
En utilisant une lentille convergente et votre source de lumière, réalisez les situations suivantes.
Vous tracerez les rayons manquants puis vous décrirez de manière précise (avec une phrase!)
vos observations.
1) Le rayon incident est parallèle à l’axe optique. Tracer le schéma correspondant à cette
situation
–
–
Déterminer la position du foyer principal image.
En déduire la position du foyer principal objet
Les rayons parallèles à l'axe optique, ressortent de la lentille en passant par le foyer image.
2) Le rayon incident passe par le centre optique O. Tracer le schéma correspondant à cette
situation.
Les rayons passant par le centre optique ne sont pas dévié
3) Le rayon incident passe par le foyer principal objet F. Tracer le schéma correspondant à
cette situation.
Les rayons passant par le foyer objet ressortent de la lentille parallèles à l'axe optique.
III- Comment les opticiens classent-ils leurs lentilles
Pour répondre aux prescriptions des médecins
ophtalmologistes et réaliser les verres des
lunettes, les opticiens n’utilisent pas la distance
focale pour différencier leurs lentilles mais
utilisent plus volontiers la vergence C.
Relation entre la vergence et la distance focale :
1
- f : distance focale en mètre (m)
C=
f
- C : vergence en dioptrie (δ)
Les opticiens disposent de lentilles convergentes
à 0.25, 0.5, 0.75 δ…et de lentilles divergentes à
–0.25, -0.5, -0.75 δ … pour la fabrication des
lunettes par exemples.
Exercice
1) Quels types de verre, la patiente porte-t-elle pour corriger sa vision de loin ? Sa vision de
près ? Justifier votre réponse.
Vision de loin : verres divergents
Vision de près : verre convergents
2) Vérifier par le calcul que des verres de distance focale f = 66,7 cm corrigent bien la vision de
près des yeux de la patiente.
C=1/f = 1/0,667 = 1,5
3) Calculer la distance focale du verre qui corrige la vision de loin de l’œil gauche de la patiente.
F=1/C = 1/0,5 = 2 m
IV- Quelles sont les caractéristiques de l’image d’un objet au travers d’une
lentille convergente ?
1) Étude expérimentale
Expérience :
On utilisera un banc d’optique, ses accessoires et une lentille convergente.
Quelle est la caractéristique principale de l'image ? L'image est à l'envers
Le cristallin pouvant être modélisé par une lentille convergente, pourquoi ne voyons nous pas le
monde à l'envers ?
L'image sur la rétine est à l'envers. C'est ensuite le cerveau qui analyse cette image et la remet
à l'endroit.
2) Détermination des caractéristiques d'une image par méthode graphique
- Prendre une feuille A4 en format paysage.
- Réaliser un schéma comportant une lentille convergente de distance focale f’ égale à 3 cm.
- Placer un objet AB (AB = 2 cm) à 10 cm de la lentille. Déterminer graphiquement l’image A’B’
de AB en exploitant les 3 règles de construction.
- Faire de même (prendre une autre couleur) pour un objet placé à 4 cm de la lentille.
- Décrire l’image obtenue pour les deux schémas
Conclusion
Dans la modélisation de l’œil, l’écran correspond à ………………. et la lentille convergente au
……………..
Peut-on alors déplacer l’écran pour obtenir une image nette ? Pourquoi ?