1ere ES, Partie 1 Cours

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Enseignement Scientifique 1ere ES Lyce St Martin de France, 2011-2012

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Partie 1 : Reprsentation Visuelle (SVT).I. La vision du monde dpend des proprits des photorcepteurs

La rtine est la membrane qui tapisse le fond de l'il et sur laquelle se forment les images. Elle est forme de cellules nerveuses (des neurones) dont certaines sont des rcepteurs sensoriels spcialiss dans la vision, les photorcepteurs.

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Ces derniers contiennent un pigment de nature protique (lopsine) sensible la lumire. Selon la nature de lopsine quils contiennent, on distingue plusieurs types de photorcepteurs. - Les btonnets sont situs dans la rtine priphrique et sont sensibles aux faibles intensits lumineuses (vision crpusculaire uniquement). Ils contiennent tous la mme opsine (rhodopsine) qui absorbe toutes les longueurs d'onde du spectre de la lumire visible. Ils n'interviennent donc pas dans la vision des couleurs. - Les cnes sont concentrs dans l'axe optique de l'il (fova) et ont un seuil de stimulation lev (vision diurne uniquement). La rtine humaine possde trois types de cnes respectivement sensibles au bleu (opsine S), au vert (opsine M) et au rouge (opsine L). Cela permet la vision des couleurs (vision trichromate).

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Longueur d'onde d'absorption e fonction du type d'opsine.

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La dficience des photorcepteurs peut avoir diverses origines : - gntique, comme dans le daltonisme qui entrane la dfaillance dans la sensibilit des longueurs d'ondes particulires et des perturbations de la vision des couleurs ; Le daltonisme Le daltonisme (= dyschromatopsie dcouverte par John Dalton ) se manifeste par des perturbations de la vision des couleurs. Il est li une ou plusieurs mutations sur les gnes codant les opsines ce qui entrane la dfaillance dans la sensibilit des longueurs d'ondes particulires. La forme la plus frquente rsulte de la dficience plus ou moins complte en cnes verts (deutranopie). Plus rarement la mutation affecte les cnes rouges (protanopie) ou bleus (tritanopie) voire les trois (achromatopsie). Il s'agit d'un trouble hrditaire qui affecte beaucoup plus souvent les hommes (8%) que les femmes (0,5%) car c'est un caractre li au sexe (gne port par le chromosome X). - lie l'ge, comme dans la dgnrescence maculaire (DMLA) due une dfaillance des cnes et qui entrane une perte de la vision centrale ;

Vision d'une personne atteinte de DMLA alimentaire, comme dans l'hmralopie, qui est une dfaillance en vitamine A qui entrane une perte de la vision nocturne. II. Ltude compare des pigments rtiniens permet de placer lHomme parmi les Primates Les gnes des opsines ont des squences voisines de nuclotides car ils drivent tous d'un 4

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mme gne ancestral. Les gnes codant les protines, cela explique que les opsines aient une squence voisine d'acides amins.

Comparaison de l'ospine S chez quelques primates. Comme l'Homme, les singes de l'ancien monde (d'Afrique et d'Asie) sont trichromates car ils possdent 3 gnes permettant de coder les opsines S, M et L. Ceux du nouveau monde (Amrique) sont dichromates car ils ne possdent que deux opsines (l'une sensible au bleu et l'autre sensible soit au rouge soit au vert) comme d'autres mammifres. Quand des espces partagent une mme nouveaut volutive elles l'ont hrit d'un anctre commun qui leur est propre. L'anctre commun l'Homme et aux singes de l'ancien monde est donc plus rcent que leur anctre commun avec les singes du nouveau monde avec qui nous partageons d'autres nouveauts volutives des Primates.

III. Le cerveau permet une reprsentation mentale des stimulus

Les photorcepteurs convertissent le stimulus lumineux en message nerveux conduit jusquau cerveau par le nerf optique, puis achemin (via une chane neuronique) jusqu'aux aires visuelles situes sur le lobe occipital du cerveau et dont certaines sont spcialises selon la nature du stimulus (forme, couleur, mouvement).

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L'exploitation de l'information visuelle ncessite ensuite une collaboration entre les fonctions visuelles et la mmoire. La perception visuelle apparat alors comme une reprsentation mentale des stimulus lumineux perus. Ainsi la reconnaissance dun mot crit ncessite une collaboration entre les aires visuelles, la mmoire et des structures lies au langage. Les connexions entre les neurones du cerveau sont susceptibles de se modifier, ce qui entrane une modification des rseaux neuronaux tout au long de la vie de lindividu. Le cerveau apparat alors comme un systme dynamique, en perptuelle reconfiguration. Cette plasticit crbrale permet notamment les apprentissages (ou de compenser une lsion) par la sollicitation rpte des mmes circuits neuroniques. BILAN Les photorcepteurs de la rtine permettent de transformer les stimulus lumineux en messages nerveux conduits jusqu'au cortex visuel. L'tude compare des pigments visuels des photorcepteurs permet de prciser la place de l'Homme parmi les Primates. La perception visuelle ncessite la collaboration entre plusieurs aires corticales spcialises qui permettent une reprsentation mentale du monde qui nous entoure. La plasticit crbrale permet notamment l'apprentissage.

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Partie 1 Reprsentation visuelle (SPC)I. Conditions de visibilit et formation des images La lumire est une onde qui se propage en ligne droite. Pour tre visible, un objet doit tre clair. Vous ne pouvez lire ces lignes qui si le papier est mis en prsence d'une source lumineuse qui va renvoyer la lumire. a)Coupe de lil :

La corne et lhumeur aqueuse constituent la surface bombe qui spare lil du milieu extrieur. Le cristallin est souple et reli des ligaments. Liris : cloison en forme de disque color prsentant en son centre une ouverture circulaire de diamtre variable, la pupille. La rtine : membrane mince situe au fond de lil ; elle est constitue de cellules nerveuses sensibles la couleur et lintensit lumineuse.

b)Modle rduit de lil : La corne, lhumeur aqueuse et le cristallin se comportent comme une lentille.La rtine fait office dcran sur lequel se forme limage nette de lobjet observ. Elle est place approximativement 17 mm du cristallin. En avant du cristallin, un diaphragme appel pupille (2 - 8 mm de diamtre), limite la quantit de lumire incidente.

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II. Les lentilles. Une lentille sphrique est constitue dun milieu transparent (le plus souvent du verre) limit par deux calottes sphriques. Certaines lentilles nont quune seule face de forme sphrique, lautre est alors plane.Les lentilles que nous allons tudier ont une paisseur e faible par rapport aux rayons des calottes sphriques ; ce sont des lentilles minces. Il en existe deux types : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes. Ces lentilles ont un axe de symtrie: laxe optique.

Schma de reprsentation des lentilles :

Effet dune lentille mince convergente sur un faisceau Un faisceau incident de lumire parallle merge dune telle lentille sous forme dun faisceau 8

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Effet dune lentille mince divergente sur un faisceau Un faisceau incident de lumire parallle merge dune telle lentille sous forme dun faisceau divergent.

a) Le centre optique Laxe optique rencontre la lentille en un seul point O appel centre optique. Tout rayon passant par le centre optique dune lentille ne subit aucune dviation.

b) Le foyer principal image F Cas dune lentille convergente : Le foyer principal image F est le point de laxe optique o convergent les directions de tous les rayons lumineux incidents parallles laxe optique.

Laxe optique tant orient dans le sens de parcours de la lumire, la valeur algbrique OF' est positive, elle est appele distance focale de la lentille et est note f : f' = OF' . Cas dune lentille divergente Le foyer principal image F est le point de laxe optique do semblent sortir tous les rayons lumineux mergents.

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Laxe optique tant orient dans le sens de parcours de la lumire, la valeur algbrique OF' est ngative, cest la distance focale de la lentille note f : f ' = OF' c) Le foyer principal objet F Pour que des rayons lumineux soient parallles laxe optique aprs passage dans la lentille, il faut que leurs directions initiales passent par un point F situ sur laxe optique et appel foyer principal objet. Les points F et F sont situs sur laxe optique gale distance du centre optique O, on peut donc crire en valeur algbrique : OF' = - OF .

Le plan perpendiculaire laxe optique et contenant F est appel plan focal objet, on a reprsent sa trace en pointills.

Le plan perpendiculaire laxe optique et contenant F est appel plan focal objet, on a reprsent sa trace en pointills.

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d) Vergence dune lentille : La distance focale tant exprime en mtre (m), la vergence est obtenue en dioptrie (). Elle est positive pour une lentille convergente et ngative pour une lentille divergente.

e) Construction de l'image par une lentille convergente : Avec une lentille convergente on peut former une image nette sur un cran. Soit un objet AB situ dans un plan perpendiculaire laxe optique, le point A tant situ sur laxe. On admet que limage AB, donne par la lentille, est elle-mme perpendiculaire laxe optique, limage A du point A tant sur laxe. Pour tracer limage AB, il faut dabord construire limage B du point B. Nous avons vu quil existait trois rayons particuliers : le rayon issu de B et passant par O centre optique de la lentille n'est pas dvi ; le rayon issu de B et parallle laxe optique sort de la lentille avec une direction passant par le foyer image F; le rayon issu de B et dont la direction passe par le foyer objet F sort de la lentille parallle laxe optique. Pour construire limage dun point, il suffit de tracer deux rayons; deux rayons particuliers passant par B suffisent donc pour trouver B. Quels rayons tracer ? Le rayon passant par le centre optique car il nest pas dvi.

Le rayon parallle laxe optique car on sait quil merge en passant par le foyer image F

Le troisime rayon (en pointill sur la figure ci-aprs) nous permet de vrifier notre trac. 11

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La distance focale de la lentille sobtient en mesurant la distance du centre optique O F le foyer image de la lentille convergente puisque f' = OF' . Le foyer principal image F est le point de laxe optique o convergent les directions de tous les rayons lumineux incidents parallles laxe optique.

III Accommodation et dfaut de lil En optique, on assimile lil une lentille mince convergente munie dun diaphragme et derrire laquelle se trouve un cran une distance fixe de lordre de 16 18 mm. Dans lil la position de lcran (la rtine) est fixe par rapport la lentille (lensemble corne, humeur vitreuse, cristallin). Limage doit toujours se former la mme distance de la lentille mme lorsque la distance entre lobjet observ et lil varie. Lcran ne pouvant se dplacer, il faut que la distance focale de lil change: on a une lentille adaptative. Le cristallin est une lentille souple qui peut tre dforme et devenir ainsi plus ou moins convergente. On dit que lil accommode pour que limage se forme toujours sur la rtine. Lil accommode dautant plus quil observe un objet proche. Lorsque lil naccommode pas, le cristallin est aplati et peu convergent. Voir schma ci dessous :

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La limite loigne, cest--dire le point vu nettement sans accommoder, est le punctum remotum (PR). 13

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Grce aux dformations du cristallin, lil peut voir nettement des objets situs des distances trs variables. Mais ces distances doivent rester entre deux limites (qui correspondent aux limites de dformations du cristallin). La limite proche, cest--dire le point vu nettement en accommodant au maximum, est le punctum proximum (PP). Zone de vision nette (champ visuel) : Cest la zone comprise entre le punctum proximum (PP) et le punctum remutum (PR).

Principaux dfauts de lil : Lil myope : Lil myope est trop convergent. Son punctum remotum nest plus linfini mais quelques dizaines de cm de lil

La profondeur de lil augmente avec la croissance : ce dfaut saggrave avec la croissance ; lil est trop long. Lil hypermtrope : Lil hypermtrope nest pas assez convergent (ou manque de profondeur). Son punctum proximum est trs loign de lil

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Il en rsulte pour les hypermtropes une impossibilit de voir net un objet proche. En effet limage dun objet proche se forme non plus sur la rtine mais aprs celle-ci.

Lil presbyte : Le cristallin dun il presbyte a perdu une partie de son lasticit. Il ne peut donc plus accommoder autant quun il normal. Son punctum remotum est toujours situ linfini (le presbyte observe nettement linfini sans accommoder). Mais son punctum proximum est loign de lil (le presbyte narrive plus accommoder assez pour voir les objets proches).

Ce dfaut apparat inluctablement avec lge (les presbytes tiennent leur journal bout de bras). Correction des yeux : Correction de la myopie : Puisque lil myope est trop convergent, il faut le rendre un peu moins convergent. Pour cela on ajoute avant lil une lentille divergente : un verre de lunette ou une lentille cornenne pose sur lil Cette lentille est choisie de telle sorte que lil sans accommoder puisse voir net un objet linfini (comme un il normal).

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Correction de l'hypermtropie : Puisque lil hypermtrope nest pas assez convergent, il faut le rendre un peu plus convergent. Pour cela on ajoute avant lil une lentille convergente (voir activit 6) : un verre de lunette ou une lentille cornenne pose sur lil Cette lentille est choisie de telle sorte que lil sans accommoder puisse voir net un objet linfini (comme un il normal).

Correction de la presbytie : Le presbyte na besoin daucune correction pour voir un objet loign. Mais sa rtine nest plus assez convergente pour voir un objet proche. Le presbyte portera donc des lunettes convergentes pour lire (exemple : les lunettes demi lune portes sur le bout du nez). IV. Couleur et Art : a). Colorants et pigments Lhistoire de la couleur est lie celle de lhumanit. Lanalyse des peintures utilises dans les grottes montre que la diversit des couleurs obtenues avec les ocres naturelles tait lie la matrise du feu. En tant chauff, les oxydes de fer passaient progressivement du jaune de la goethite au rouge de lhmatite. Loxyde pouvait tre transform en magntite noire par addition de bois vert dans le foyer. Pendant longtemps, lhomme a utilis des pigments et des colorants naturels dorigine minrale, animale (carmin de cochenille, ) ou vgtale (bleu indigo, ). Au XIXe sicle, W.H. Perkin a dcouvert la mauvine et avec elle les colorants de synthse. Ces 16

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colorants bon march et faciles industrialiser ont trs rapidement remplac les colorants naturels. Les pigments et les colorants sont de nature diffrente. Les pigments Ils se fixent la surface de lobjet. Ils sont gnralement mlangs un liant plus ou moins fluide pour obtenir des peintures, des encres Exemple : loxyde de titane, pigment blanc utilis dans les peintures. Les hommes de la prhistoire ont utilis des terres colores et des ocres pour la dcoration de leurs corps ou des parois des cavernes (grotte de Lascaux). Les pigments sont pour la plupart insolubles. Les colorants Cette absorption rsulte de la raction chimique entre les molcules du colorant et du support. Un tissu bleu plong dans un bain de teinture jaune deviendra vert par combinaison du bleu et du jaune. La couleur brune du caramel dans le coca correspond un colorant. Sparer les colorants dun mlange par chromatographie La chromatographie est une technique danalyse chimique qui permet de sparer les espces chimiques prsentes dans un mlange homogne. Elle permet, par exemple, de sparer les colorants alimentaires prsents dans une boisson. Deux phases interviennent dans la chromatographie : la phase mobile constitue dun solvant (lluant) et la phase fixe constitu dun solide finement divis plac sur un support en verre (ou du papier filtre imbib deau). Une goutte de mlange est dpose sur le support (phase fixe) qui est ensuite plac dans un bcher contenant le solvant (phase mobile). En migrant sur le support le solvant entrane les espces chimiques qui se dplacent des vitesses diffrentes ; on obtient alors des tches de diffrentes couleurs.

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Le rapport frontal Rf = h/H permet didentifier les tches. La chromatographie permet danalyser un mlange liquide et didentifier ainsi chaque constituant par comparaison.Vous pouvez faire une chromatographie de colorants alimentaires du commerce en prenant du papier filtre (filtre caf) comme support et de leau comme phase mobile. Il suffit de placer le papier filtre sur lequel vous aurez plac les gouttes de colorants dans un verre suffisamment large pour quil ne touche pas les bords. b) Synthse de la lumire. En seconde, vous avez vus que la lumire tait dcompose par un prisme :

On obtient le spectre suivant :

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Il est compos de toutes les couleurs de larc-en-ciel. Le spectre est continu du rouge au violet ; il ny a pas de couleurs qui manquent dans le spectre. Les radiations lumineuses spares par le prisme redonnent, quand on les superpose, la lumire blanche initiale. La lumire blanche rsulte de la superposition de toutes les radiations monochromatiques du spectre visible. Synthse additive Utilisons deux sources de lumire blanche, lune munie dun filtre de base rouge et lautre dun filtre de base vert et superposons partiellement les deux faisceaux sur un cran. Le spectre continu obtenu laide du prisme peut grossirement tre subdivis en trois zones : rouge, vert, bleu. Ces trois couleurs sont appeles couleurs primaires pour la synthse additive.

La superposition du rouge et du vert donne du jaune.

La superposition du rouge et du bleu donne du magenta.

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La superposition du bleu et du vert donne du cyan. Schma en couleur de la synthse additive :

La superposition des 3 couleurs donne du blanc. Chaque point de lcran reoit les trois couleurs et les renvoie: cest la synthse additive.

La synthse additive peut tre ralise avec plus de trois couleurs pour amliorer le rendu de certaines couleurs. La synthse additive est utilise pour les sources lumineuses des crans LCD, les vidoprojecteurs ...Dans un cran LCD chaque pixel de limage est en fait constitu par 3 pixels (rouge, vert, bleu). La synthse soustractive Un filtre color absorbe certaines couleurs et transmet les autres : la couleur que nous lui attribuons est celle quil laisse passer. Utilisons une source de lumire blanche, munie dun filtre color de base vert. Le filtre vert laisse passer le vert et absorbe les autres couleurs (bleu et rouge) ; il 20

Enseignement Scientifique 1ere ES Lyce St Martin de France, 2011-2012 soustrait le bleu et le rouge. Il s'agit de la synthse soustractive des couleurs.

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le cyan et le jaune donnent le vert,le cyan et le magenta donnent le bleu (bleu-violet) et le jaune et le magenta donnent le rouge (rouge vermillon). c) Application la peinture Les pigments contenus dans une couleur renvoient vers notre il les couleurs primaires qui composent la nuance de cette couleur et absorbent toutes les autres. Si vous mlangez des peintures jaune et magenta, la couleur observe sera du rouge. La peinture jaune absorbe le bleu contenu dans la lumire blanche et le magenta absorbe le vert. Si lon rajoute du cyan qui absorbe le rouge, on obtiendra du noir. d) Le cercle chromatique Il existe diffrents cercles chromatiques. Le cercle chromatique relie les couleurs entre elles. Dans le cercle suivant, les trois couleurs primaires sont au centre ; entoures des trois couleurs secondaires. Il permet de voir que jaune et rouge mlangs donnent la couleur orange.

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Deux couleurs sont dites complmentaires lorsquelles sont diamtralement opposes sur le cercle chromatique. Les couleurs chaudes vont du vert-jaune au rouge. Ces couleurs voquent la chaleur (tons rouges, orange et or du feu , du soleil). Les couleurs chaudes rendent les objets plus grands et plus proches des yeux du spectateur. Elles sont agressives et attirent lattention. Les couleurs froides vont du vert au violet. Ces couleurs sont associes avec les tons bleus et vert (leau, le ciel, ). Les couleurs froides donnent limpression de sloigner du spectateur. Elles ont un effet apaisant. Les couleurs complmentaires Ces couleurs attirent le plus lattention lorsquelles sont utilises conjointement. Il faut choisir deux couleurs complmentaires pour crer un effet de choc. e) Application aux crans et aux imprimantes Dans les crans, on utilise la synthse additive ; au dpart, lcran est noir. La combinaison des trois couleurs primaires: le Rouge, le Vert et le Bleu (systme RVB ou RGB(red, green, blue)) permet lobtention de toutes les couleurs. Dans les imprimantes, la combinaison des trois couleurs primaires: le Cyan, le Magenta et le Jaune, permet lobtention de toutes les couleurs par soustraction de couleurs (systme CMJ ou CMY en anglais). En imprimerie de lencre noire est utilise pour de meilleurs contrastes (systme CMJN ou CMYK). 22