sciences 1 l'Å il et la vision
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Physique-Chimie – Première partie – Représentation visuelleChapitre 1 – L’œil et la vision
Compétences exigibles
• Un objet ne peut être vu que s’il émet ou diffuse de lalumière et que celle-ci pénètre dans l’œil ;
• Une lentille modifie le trajet de la lumière ;
• Il faut savoir reconnaître une lentille convergente oudivergente par une méthode au choix : par sa forme,par la déviation produite par un faisceau de lumièreparallèle, par effet de grossissement ou de réductiondes objets ;
• Il faut connaître les symboles de représentation d’unelentille mince convergente ou divergente ;
• Il faut connaître les éléments caractéristiques d’unelentille mince : centre optique, axe optique, foyer ;
• Plus une lentille est bombée, plus elle est convergente ;
• Il faut savoir reconnaître ou positionner les foyersimage et objet sur un schéma ;
• Une lentille de vergence négative est divergente ; elleest convergente si la vergence est positive ;
• Il faut savoir construire l’image d’un objet donné parune lentille convergente.
Chapitre 1 – L’œil et la vision
1 Quelles sont les différentes conceptions historiques de la vision ?
Pourquoi dit-on « jeter un coup d’œil » ou « fou-droyer du regard » si ce n’est pas l’œil qui envoie
ses rayons sur l’objet qu’il explore ? Les bizarreries de lalangue française rappellent une vieille controverse : com-ment fonctionne la vision ? Et quel est son « sens » : del’œil à l’objet ou de l’objet à l’œil ?
Une vieille dispute
La dispute scientifique remonte à l’Antiquité. En lice :deux théories, connues sous les noms d’intromission etd’émission. La première, assignant à l’œil un rôle passif,décrivait le phénomène de la vision par un quelque choseallant de l’objet à l’œil. La seconde, octroyant à l’œil unrôle plus actif, expliquait la vision par un quelque choseallant de l’œil à l’objet.
La nature du quelque chose restait mal définie, dans uncas comme dans l’autre. Pour les philosophes atomistesDémocrite (460-370 av. J.-C.) et Épicure (341-270 av.J.-C.), tous deux partisans de l’intromission, il s’agissaitde simulacres, de fines enveloppes ou de minces effigies,les « eidola », qui se détachaient de la surface de l’objetet voltigeaient à la rencontre de l’observateur. Pour lesmathématiciens Euclide (325-265 av. J.-C.) et Ptolémée(90-178 av. J.-C.), tenants de l’émission, des rayons vi-suels jaillissaient de la pupille pour partir à la rencontrede l’objet. Circulait également une théorie hybride, sou-tenue par Platon (428-347 av. J.-C.) dans son Timée,expliquant la vision par la rencontre des émanations is-sues de l’objet avec le feu du flux visuel.
Pour les partisans de l’émission, l’existence d’un feu ocu-laire était une croyance tenace, corroborée par l’observa-tion de l’œil des félins, qui luisait dans l’obscurité, et par
l’existence de sensations lumineuses surgissant dans l’œilà l’occasion d’un choc ou d’un traumatisme. En outre, laforme du globe oculaire, sphérique et non creuse, commecelle de l’oreille ou du nez, n’était-elle pas plus propice àl’émission qu’à la réception ?
Les partisans de l’émission soulignaient aussi les insuffi-sances de la théorie adverse. Comment justifier qu’en re-gardant avec attention la page d’un livre toutes les lettresne fussent pas nettes en même temps ?
La vision nocturne éclaire la discussion
À l’encontre de la thèse de l’émission, en revanche, s’ins-crivait l’absence de vision nocturne. Un œil émetteur au-rait dû être en mesure de remplir ses fonctions mêmedans l’obscurité. Et, à l’ouverture de la paupière, de dis-cerner d’abord les objets proches et seulement ensuiteles objets lointains. Comment expliquer, de surcroît, quel’œil humain pût être en mesure d’émettre son feu visueljusqu’aux étoiles ? L’unité de fonctionnement des cinqsens plaidait aussi en faveur d’un œil récepteur. L’ouïe,le toucher, l’odorat et le goût s’expliquaient par une réac-tion à des stimuli externes. Le son partait à la rencontrede l’oreille, les parfums allaient au-devant du nez... Il n’yavait aucune raison que la vue échappât à la règle.
La mise en évidence du rôle de la lumière en tant qu’agentde la sensation visuelle allait émerger à la charnière duXe et du XIe siècle, grâce au mathématicien, physicien etastronome arabe Al-Hasan Ibn al-Haytham (965-1039).Né à Bassora, en Perse, Ibn al-Haytham avait gagnél’Égypte, mandaté par le calife pour résoudre le problèmedes crues du Nil. Devant l’échec de cette entreprise té-méraire, incapable de construire ce qui serait un jour le
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barrage d’Assouan, Ibn al-Haytham était tombé en dis-grâce. Craignant pour sa vie, il simula la folie et fut as-signé à résidence pendant les dix années qui suivirent,jusqu’à la mort du calife, en 1021.
De la captivité à la chambre obscure
Ibn al-Haytham profita de sa captivité pour entreprendredes recherches qui lui tenaient à cœur, dans le domainede l’optique notamment. Le savant musulman avait prisconnaissance de l’héritage des anciens Grecs, recueilli parles érudits au contact de l’Empire romain d’Orient. Et sesréflexions l’amenèrent à condamner sans appel la théoriede l’émission, incapable de justifier que fixer le Soleil pûtêtre plus traumatisant que de regarder un arbre. Com-ment l’œil aurait-il pu subir quelque lésion que ce fûtsi rien n’y pénétrait ? La sensation d’éblouissement nefaisait-elle pas plutôt pencher la balance en faveur d’unœil récepteur de la lumière ?
Convaincu du rôle clé de celle-ci dans la vision, Ibn al-Haytham en appela à l’expérience et, pour étayer sesintuitions, eut recours à la chambre obscure. Ce disposi-tif, lointain ancêtre de l’appareil photographique, consis-tait en une pièce sombre, close de toutes parts, et danslaquelle avait été ménagée une petite ouverture. À l’ex-térieur, face à l’ouverture, trois chandelles, disposées àdifférentes hauteurs. L’image de chacune des bougies seformait à un endroit différent de la pièce, dans l’axede l’ouverture. La présence de poussières, en suspensiondans l’air, mettait clairement en évidence la propagationrectiligne de la lumière. En outre, tout déplacement del’une quelconque des bougies se traduisait par un dépla-cement concomitant de son image. Et l’image disparais-sait dès que l’on masquait la chandelle mère. Fort deces constatations, Ibn al-Haytham transposa la situationà l’œil. Un objet devenait visible lorsqu’il émettait ourenvoyait de la lumière. Les différents points sources del’objet dardaient des rayons lumineux, qui pénétraientdans l’œil par la pupille, selon des faisceaux en formede cônes. Le cristallin, cette capsule située à l’avant del’humeur vitrée du globe oculaire, recueillait la lumière.
Pour justifier que les rayons des différents faisceaux nese chevauchent pas, ce qui aurait créé une impressionde flou, Ibn al-Haytham suggéra que seuls les rayonsarrivant à angle droit concouraient à la formation desimages. Les projectiles heurtant une cible de plein fouetn’étaient-ils pas les plus efficaces ?
La Renaissance
Édité à Bâle, en 1572, sous le titre Opticae thesaurus, letraité d’optique d’Alhazen (le prénom latinisé d’Ibn al-
Haytham, sous lequel il était connu en Europe occiden-tale) se trouva rapidement propulsé au rang d’ouvragede référence. À la fois pour les peintres de la Renais-sance, qui s’en inspirèrent dans leurs représentations enperspective, et pour les théoriciens de l’optique.
Ce fut grâce à l’un d’eux, l’astronome allemand JohannesKepler (1571-1630), que la théorie de l’intromission allaitmarquer un point de plus, en 1604. Kepler, qui, à l’instard’autres astronomes, utilisait la chambre obscure pourobserver le Soleil, avait eu vent d’un stratagème pouraméliorer la qualité des images. En plaçant un verre enforme de lentille devant l’ouverture, celles-ci devenaientet plus nettes et plus lumineuses. Kepler fit de mêmepar le truchement d’un globe rempli d’eau. Grâce au cal-cul, il établit que, pour de petits angles, de l’ordre dequelques degrés, les rayons issus de chaque point du So-leil aboutissaient, après réfraction, non pas en des pointsdifférents mais en un point unique. La concentration delumière après passage dans la lentille expliquait la qualitéde l’image observée.
Quant à l’œil lui-même
Kepler saisit immédiatement la portée de sa découverte.Non seulement la réfraction expliquait le fonctionnementdes verres correcteurs de la myopie et de la presbytie, ve-nus d’Italie trois siècles auparavant, mais elle permettaitde cerner le fonctionnement de l’œil lui-même.
La pupille remplaçait l’ouverture de la chambre obscure.Le cristallin, milieu transparent, dont l’opacité entraînaitla cataracte, se substituait à la lentille. La rétine, enfin,sur laquelle s’imprimait l’image, tenait lieu d’écran etse révélait ainsi le véritable agent sensoriel. La conver-gence des rayons sur la rétine rendait en outre caduquel’hypothèse d’Ibn al-Haytham, qui privilégiait les rayonspénétrant dans l’œil à angle droit.
L’image rétinienne fut effectivement observée quelquesannées plus tard, en 1625, par le jésuite allemand Chris-toph Scheiner. Ce dernier avait pratiqué une petite ou-verture au fond de l’œil d’un bovin mort, de manière àdégager la rétine. À travers cette ouverture il observa uneimage renversée des objets à l’entour. Expérience repriseet décrite « avec admiration » par le mathématicien, phy-sicien et philosophe René Descartes (1596-1650) en 1637,dans sa Dioptrique.
M.-C. de la Souchère, Quand la vue change de sens,La Recherche no443.
Après une lecture attentive du texte précédent, compléterle tableau suivant.
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Scientifiques Démocrite Platon Euclide Ibn-Al-Haytham Képler
Épicure Ptolémée
Conception
« Sens dela vue »
Explications
Observationsconfirmant laconception
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2 Dans quelles conditions un objet est-il visible ?
Illustrer correctement le trajet de la lumière lorsque l’œilvoit la balle.
En vous basant sur les conclusions de Al-Hasan Ibn al-Haytham, énoncer les conditions de visibilité d’un objet.
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3 Quelle est l’anatomie de l’œil ?
Lorsque la lumière pénètre dans l’œil, que traverse-t-elle ?Que rencontre-t-elle ?
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Pour le physicien, l’œil est constitué de trois parties principales :
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4 Qu’est-ce qu’une lentille ?
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5 Qu’est-ce qui différencie les lentilles entre elles ?
5.1 Au toucher
Expérience Prendre diverses lentilles entre ses doigts et essayer de les classer en comparant, pour chaque lentille,les épaisseurs au centre et au bord. Noter ses observations :
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Il existe deux types de lentilles :
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5.2 Par déviation d’un faisceau lumineux
Expérience Faire arriver un faisceau de rayons lumineux parallèles sur une lentille de chaque type. Observer lesrayons qui émergent de ces lentilles.
Le faisceau émergent de la lentille à bords minces.............. en un point.
On les appelle lentilles .............. .
Le faisceau émergent de la lentille à bords épais.............. .
On les appelle lentilles .............. .
Conclusion : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5.3 Par observation d’un texte
Expérience Observer un texte posé sur la table au travers d’une lentille convergente puis au travers d’une lentilledivergente. Noter ses observations :
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Conclusion : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Remarque Nous nous limiterons dorénavant à l’étude des lentilles convergentes car dans l’œil le cristallin joue le rôled’une lentille convergente.
6 Quelles sont les caractéristiques d’une lentille convergente ?
Les expériences de cette partie sont réalisées sur un tableau magnétique à l’aide d’une source lumineuse pouvant délivrerun faisceau de rayons lumineux parallèles et de lentilles convergentes.
6.1 Que sont le centre optique et l’axe optique pour une lentille ?
Axe optique O : centre optique
Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.2 Que sont les foyers et la distance focale ?
6.2.1 Foyer image et distance focale
Expérience (professeur) Faire arriver un faisceau derayons lumineux parallèles à l’axe optique sur une lentilleconvergente L. Observer les rayons qui émergent de lalentille. Incliner le faisceau par rapport à l’axe optique,observer. Mesurer dans chaque situation la distance OF’.
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Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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• Le point de l’axe optique où convergent les rayons émergeants est appelé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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• La distance . . entre le centre optique O et le foyer image F’ est caractéristique de la lentille et est
appelée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . et est notée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Foyer objet et distance focale
Expérience (professeur) Faire converger un faisceaude rayons lumineux parallèles à l’aide d’une lentilleconvergente L’. Placer la lentille convergente L après lepoint de convergence et la déplacer. Observer les rayonsqui émergent de la lentille L. Mesurer la distance OFlorsque les rayons émergent parallèlement à l’axe optique.
Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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• Le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . est le point de l’axe optique tel que les rayons issus de ce
point émergent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . à l’axe optique.
• . . . . . . . . . . . . . . sont symétriques par rapport à O d’où . . . . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . . .
7 Comment mesurer simplement la distance focale d’une lentille convergente ?
Expérience On utilisera comme source lumineuse le plafonnier de la salle de cours, une lentille convergente +8 δ etcomme écran une table placée exactement sous le plafonnier.
On considère les rayons lumineux provenant des plafonniers comme parallèles.
Placer la lentille perpendiculairement à la direction de ces rayons lumineux. Déplacer la lentille par rapport à la table.Observer la tache lumineuse recueillie sur la table.
Lorsque l’image est nette, mesurer à l’aide d’une règle la distance table-lentille. Pourquoi peut-on en déduire la distancefocale de la lentille ?
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Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Conclusion : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8 À quel type de lentille appartient le cristallin ?
En vous basant sur les conclusions de Johannes Kepler, répondez à la question-titre.
« La concentration de lumière après passage dans la lentille expliquait la qualité de l’image observée. »
« La convergence des rayons sur la rétine rendait en outre caduque l’hypothèse d’Ibn al-Haytham... »
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9 Comment caractériser l’image d’un objet au travers d’une lentilleconvergente ?
Expérience On utilisera un banc d’optique, ses accessoires et une lentille convergente +8 δ. L’objet lumineux utiliséest la diapositive en forme de lettre majuscule. Placer l’objet lumineux en un point A à la distance OA de la lentille.Déplacer l’écran de façon à avoir une image nette et compléter le tableau suivant :
Taille de l’objetAB (cm)
Position de l’objetOA (cm) 18 25 40
Position de l’imageOA’ (cm)
Taille de l’imageA’B’ (cm)Sens del’image
F F’O
B
A
Objet
Écran
A’
8
Conclusion : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10 Comment construire graphiquement l’image d’un objet ?
En utilisant la « méthode des trois rayons » (c’est-à-dire les trois rayons particuliers parmi l’infinté des rayons lumineuxissus de l’objet), réaliser les constructions géométriques permettant de déterminer la position et la taille de l’image del’objet AB donnée par la lentille.
F F’O
B
A
9