Cours Physique – Chimie Première S
Partie : Observation
Thème : Couleur, vision, image
Chap. I VISION ET IMAGES
Compétences attendues :
• Décrire le modèle de l'œil réduit et le mettre en correspondance avec l''œil réel ;
• Déterminer graphiquement la position, la grandeur et le sens de l'image d'un objet plan donnée par une lentille convergente ;
• Modéliser le comportement d'une lentille mince convergente à partir d'une série de mesures (TP) ;
• Utiliser les relations de conjugaison et de grandissement d'une lentille mince convergente ;
• Modéliser l'accommodation du cristallin ;
• Pratiquer une démarche expérimentale pour comparer les fonctionnements optiques de l'œil et de l'appareil photographique.
L'œil est l'organe de la vision : il donne une image à partir d'un objet.
L'objet est défini comme étant l'ensemble des points objets. Un point objet correspond à l'intersection des rayons incidents.
L'image est définie comme étant l'ensemble des points images. Un point image est l'intersection des rayons émergents.
Comment peut-on étudier le fonctionnement optique de l'oeil de façon simple ? I. L'œil réel
L'œil humain est un globe pratiquement sphérique d'environ 25 mm de diamètre.
Il est constitué :
– de l'iris, qui limite la lumière pénétrant dans l'œil par la pupille ;
– de l'ensemble des milieux transparents (cornée, cristallin, humeur aqueuse et humeur vitrée) qui réfractent les rayons de la lumière ;
– de la rétine sur laquelle se forment les images.
Le cristallin est une capsule élastique dont la courbure des faces peut être modifiée par l'action des muscles ciliaires.
Pour observer un objet très éloigné, l'œil est au repos (œil emmétrope) : le cristallin n'est pas déformé par les muscles ciliaires. Une image de l'objet lointain se forme sur la rétine.
Pour obtenir sur la rétine une image d'un objet proche, l'action des muscles ciliaires a pour effet de bomber le cristallin rendant le système optique de l'œil plus convergent (sa distance focale diminue). Cette adaptation de l'œil est appelée accommodation.
L'étude optique de ce système complexe peut être simplifiée en utilisant un modèle simple comportant une lentille convergente.
II. Modélisation des lentilles minces convergentes 1°) Représentation des lentilles convergentes
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On représente une lentille mince par une double flèche verticale.
2°) Caractéristiques d'une lentille convergente
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F et F' sont symétriques par rapport au centre optique O.
3°) Distance focale et vergence
Pour décrire une lentille, les opticiens utilisent comme grandeur la vergence.
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III. Construction graphique d'une image
1°) Principe de construction d'un objet situé à une distance finie de la lentille
Un objet lumineux est représenté par une flèche verticale notée AB, perpendiculaire à l'axe optique, A appartenant à cet axe. Son image A'B' est aussi orthogonal à l'axe optique.
Pour construire A'B', on construit l'image B' du point objet B : B' est situé à l'intersection de tous les rayons issue de B.
Il suffit de choisir deux rayons particuliers, l'un passant par le centre optique et l'autre par l'un des foyers.
Enfin, on construit le point A', tel que A'B' soit perpendiculaire à l'axe optique.
L'image d'un objet est dite réelle si elle peut se former sur un écran. Elle est dite virtuelle dans le cas contraire.
Si l'objet est placé devant la lentille à une distance dont la valeur :
• est supérieure à celle de la distance focale de la lentille, l'image de l'objet est réelle et renversée. Elle peut être plus grande ou plus petite que l'objet.
• est inférieure à la distance focale de la lentille, l'image de l'objet est virtuelle à l'endroit et toujours plus grande que l'objet.
• est égale à celle de la distance focale, l'image de l'objet est à l'infini.
2°) Objet situé à l'infini
L'image d'un objet situé à l'infini se forme dans le plan orthogonal à l'axe optique contenant le foyer image de la lentille, plan appelé plan focal image.
IV Relation de conjugaison et grandissement 1°) Conventions
Pour repérer ou prévoir les positions des points objets et images, on utilise des grandeurs algébriques. Une mesure algébrique est une longueur qui peut être positive ou négative et elle s'écrit avec une barre horizontale.
La mesure algébrique d'un segment est positive si les points sont dans l'ordre de l'orientation de l'axe et négative sinon.
L'axe d'une lentille est orienté positivement dans le sens de la propagation de la lumière ; l'axe vertical est orienté de bas en haut.
2°) Relation de conjugaison
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OA
,OA'
etOF '
sont exprimées en m 3°) Relation de grandissement
Le grandissement n'a pas d'unité.
• Si γ > 0, l'objet et l'image sont dans le même sens, on dit que l'image est droite
• Si γ < 0, l'objet et l'image sont de sens opposés, on dit que l'image est renversée.
• Si
∣γ∣
> 1, l'image est plus grande que l'objet ; elle est plus petite dans le cas contraire.V. Le modèle de l'œil réduit l'œil réduit comprend :
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