Cours 1S

C.Leprince

Lycée Salvador Allende

Hérouville Saint Clair

TABLE DES MATIERES.

Chapitre 1 : Vision et images.

Chapitre 1 – Bilan- 1ère S VISION ET IMAGES OBSERVER

Rappels de seconde : Objet et rayon lumineux

Tout objet qui est visible pour l'œil émet de la lumière. C'est un objet lumineux.

Une source de lumière émet de la lumière ou la diffuse. On distingue deux types de sources de lumière : source primaire (soleil, étoile, bougie, laser) et source secondaire (maison, Lune)

On appelle rayon lumineux le trajet suivi par la lumière depuis un point d'un objet lumineux.

Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite (les rayons sont rectilignes).

Un rayon lumineux n'a pas d'existence matérielle (il n'est pas visible). On peut le matérialiser en plaçant des particules diffusant la lumière sur son trajet.

Quand la lumière passe d’un milieu transparent dans un autre, elle change de direction : ce phénomène se nomme la réfraction de la lumière.

I. Deux types de lentilles. TP1

1. Définition :

Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces dont au moins une n'est pas plane.

D: Diamètre d'ouverture. e: Epaisseur. Une lentille est dite mince si son épaisseur e <<D.

2. Classification :

Lentilles à bords minces :

biconvexe plan convexe ménisque convergent symbole

Lentilles à bords épais :

biconcave plan concave ménisque divergent symbole

3. Propriétés.

Bords minces Bords épais:

Conclusion :

Les rayons lumineux convergent en un

point appelé le foyer image.

Une lentille à bords minces est une lentille

convergente.

Conclusion :

Les rayons lumineux divergent à la sortie

de la lentille.

Une lentille à bords épais est une lentille

divergente.

O O

II. Etude d’une lentille convergente.

1. Points et rayons particuliers.

Certains rayons lumineux ont un trajet particulier à travers une lentille convergente.

Ex11 p24 (maison)

2. La distance focale et la vergence.

La distance entre O et F’ est caractéristique de chaque lentille : c’est la distance focale, notée f’ de la lentille (elle s’exprime

en m). OF’ = f ‘

L’inverse de la distance focale est appelée la vergence, notée V (parfois notée C, elle s’exprime en dioptries, de symbole ).

V = '

1

f Ex 8p24 (maison), 9p24

Rq : Grandeur algébrique : 'OF = f’ = - OF

Convention de signe

Le point O correspond à la fois au centre optique de la lentille mais aussi au

centre du repère choisi.

3. Construction graphique de l’objet. Ex 13p24 (classe)

Ex 12p24 (maison)

4. Relation de conjugaison et grandissement. TP2

On peut déterminer la position et la taille de l’image à partir des relations de conjugaison et de grandissement.

Relation de conjugaison : '

1

OA-

OA

1=

'

1

f ou

'

1

OA=

OA

1+ V

Relation de grandissement : = AB

BA ''=

OA

OA'

Signe de

0 0 Valeur de

1 1

Sens de l’image

Image droite (dans le sens de l’image)

Image renversée Taille de l’image

Image plus grande que l’objet

Image plus petite que l’objet

Ex 15p24 (maison) et 14p24

III. L’œil et l’appareil photographique.

TP3 et son bilan

Notions abordées dans ce chapitre : où j’en suis ?

Je dois savoir Définition d’une lentille – les deux types de lentilles et leurs propriétés (I et TP1). Points et rayons particuliers permettant de construire l’image d’un objet (I et TP1). Définitions et unités de la distance focale et de la vergence (I et TP1). Grandeur algébrique et son signe (I). Relation de conjugaison et grandissement (II et TP2).

Je dois savoir faire Déterminer graphiquement la position, la grandeur et le sens de l’image d’un objet-plan donnée par une lentille convergente (TP1 et 13p24).

Modéliser le comportement d’une lentille mince convergente à partir d’une série de mesures (TP2).

Utiliser les relations de conjugaison et de grandissement d’une lentille mince convergente (TP2 et 15p24).

Décrire le modèle de l’œil réduit et le mettre en correspondance avec l’œil réel (TP3). Modéliser l’accommodation du cristallin (TP3). Pratiquer une démarche expérimentale pour comparer les fonctionnements optiques de l’œil et de l’appareil photographique (TP3).

Chapitre 1 – Activité - 1ère S Vision et images. OBSERVER

Révisons les notions importantes des classes précédentes !

Etoile 3.108 m.s-1 spectre d’émission de raie(s)

Source primaire de lumière 400 à 800 nm Œil Laser

Lune Bougie Lumière monochromatique 340 m/s

récepteur lumineux Appareil photographique spectre d’émission

spectre d’émission continu de bande(s)

Lumière du soleil Source secondaire de lumière maison

Lumière visible Vitesse de la lumière

1. Quelles associations peux-tu faire entre ces différentes étiquettes ?

2. A quelles conditions vois-tu un objet ?

Quel est l’objet lumineux ?

Quel est le récepteur lumineux ?

Tracer le rayon lumineux permettant de voir la

maison.

3. Comment se propage la lumière dans un milieu transparent et homogène ? Comment peut-on le montrer en classe ?

4. Comment nomme t-on les deux phénomènes représentés sur les schémas ou photos ci-dessous ?

Sur le schéma ci-contre, dessine :

La normale à la surface de séparation

Le rayon incident

Le rayon réfracté

Le rayon réfléchi

Correction :

1. Vitesse de la lumière – 3.108 m.s-1.

Source primaire de lumière – étoile – bougie.

Source secondaire de lumière – lune – maison.

Récepteur lumineux – œil – appareil photographique.

Laser – lumière monochromatique.

Lumière visible – 400 à 800 nm.

Lumière du Soleil – spectre d’émission continu de bandes.

Etoile – spectre d’émission de raies.

2. L’objet lumineux est la maison.

Le récepteur lumineux est l’œil.

3. La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène. On peut matérialiser un rayon de

lumière en plaçant des particules sur son trajet (poussière, craie…).

4. C’est le phénomène de réfraction.

Rayon incident normale rayon réfléchi

5.

Rayon réfracté

Correction du document

Les théories de la vision au cours des siècles.

1. Analyser les documents.

a. Les deux théories qui s’opposaient étaient :

La théorie de l’émission : l’œil envoie des rayons visuels.

La théorie de l’intromission : entrée dans l’œil d’une image.

b. La question était : la vision est-elle le résultat de l’émission, ou de l’entrée dans l’œil de quelque chose ?

Au XIème Siècle, Alhazen (965-1039) a apporté une réponse, en expliquant que « voir, c’est recevoir une certaine

quantité de lumière ».

La nouveauté de sa méthode est qu’elle est basée sur l’expérience et les raisonnements.

c. Descartes et Kepler ont précisé que les rayons se croisent dans l’œil, puis forment une image renversée de l’objet sur le

fond de l’œil.

Descartes (1596-1650)

Kepler (1571-1630)

Application : Caméra Obscura. Lien 1

2. Si des sources permanentes de lumière existaient dans les yeux des chats, cela irait à l’encontre de la théorie de

l’intromission et aurait plutôt tendance à confirmer celle de l’émission.

../../../1ereL_ES/Partie1_Représentation%20visuelle/Ressources/Vermeer%20et%20camera%20obscura.pdf

Explication :

Les chats voient bien dans le noir, c’est connu, mais pas aussi bien que le jour. Leur vision nocturne est bien

supérieure à celle du chien ou de l’homme. Elle leur permet de chasser la nuit. Elle est due à la richesse de leurs rétines

en cellules spécialisées appelées bâtonnets. Les chats ont plus de bâtonnets que de cônes. On compte chez le chat 25

bâtonnets pour un cône alors qu’on trouve chez l’homme 20 bâtonnets pour un cône.

Anatomie et modèle optique de l’œil.

1. a. Les différents milieux transparents traversés sont :

La cornée – l’humeur aqueuse – le cristallin – l’humeur vitrée.

Le terme humeur vient du latin umor, qui est lui-même un mot venant du grec ancien et qui signifie liquide.

Les changements de direction se produisent dans le cristallin.

b. Le rôle de l’iris est de réguler la quantité de lumière dans l’œil.

Quand la luminosité augmente, le diamètre de la pupille diminue.

c. La rétine a un rôle d’écran. C’est l’endroit où se forme l’image, inversée. C’est le cerveau qui se charge de redresser

l’image.

3.

Chapitre 1 – TP1- 1ère S A LA DECOUVERTE DES LENTILLES OBSERVER

I. Deux types de lentilles. Une lentille est fabriquée dans un matériau transparent limité par 2 surfaces sphériques ou 1 surface sphérique et 1 surface plane.

Observer les différentes lentilles mises à votre disposition. Prendre les lentilles entre ses doigts et essayer de les classer en 2 catégories. Pour chaque catégorie, qualifier les lentilles en parlant de l’épaisseur au centre et sur les bords. Faire une vue de profil de la lentille.

Certaines lentilles sont bombées (convexes). Elles sont plus épaisses au centre que sur les bords.

Certaines sont « creusées » (concaves). Elles sont moins épaisses au centre que sur les bords.

Observer un texte à travers les 2 types de lentilles en prenant soin de placer la lentille très proche du texte: Compléter les schémas et noter les observations :

Observations :

Poser sur une feuille de papier une lentille à bords minces (+5/+10/+25).Eloigner la lentille de la feuille de papier jusqu’à observer sur la feuille une image nette des lampes qui sont au plafond.Mesurer la distance entre le centre de la lentille et la feuille de papier.

Résultats :

lentille N°1 N°2 N°3

Indication sur la lentille

+3 +8 +20

Epaisseur de la lentille (faible/moyenne/grosse)

F M G

Distance lentille /papier (f) en cm

33 cm 12,5 cm 5 cm

Convertir f en m 0,33 m 0,125 m 0,05 m

Calcul de 1 / f ( f en m )

3 8 20

Lumière solaire ou

du néon

Lentille

Feuille de

papier

Règle

graduée

cours d’optique, cours d’optique,






Cours

d’opti

que







Cours

d’optique

Dans le cas des lentilles convexes, le texte est grossi.

Dans le cas des lentilles concaves, le texte est rapetissé.

II. Etude d’une lentille convergente.

Certains rayons lumineux ont un trajet particulier à travers une lentille convergente.

Observer les expériences réalisées au tableau, compléter les schémas et écrire une conclusion dans les cases :

a. Le centre optique : O

b. Le foyer principal image : F ’

c. Le foyer principal objet : F

<

III. Application : la distance focale et la vergence.

L’opticien parle de la vergence des lentilles alors que le

photographe lui, parle de distance focale (ou de focale).

L’une de vos lentilles a pour vergence V = 20 . Il s’agit pour vous de

la retrouver en expliquant votre raisonnement.

DOCUMENT 1 :

La vergence est l’inverse de la distance focale. La vergence s’exprime en dioptrie (de symbole ) alors que la distance

focale s’exprime en mètre.

Pour ceux qui ont terminé : quelle est la distance focale de la lentille notée + 100 ?

Distance focale = 1/V = 1/100 = 0,01 m = 1 cm.

O

O F’

O F

La vergence étant de 20 , la distance focale est de 1/V, c'est-à-dire 1/20 = 0,05 m.

La distance focale est donc de 5 cm.

Il suffit de retrouver la lentille qui focalise la lumière à 5 cm (comme dans I).

IV. Construction graphique de l’image d’un objet.

Le point O correspond à la fois au centre optique de la lentille mais aussi au centre du repère choisi.

Construire graphiquement l’image de l’objet AB donnée par la lentille.

Exercice d’application

On dispose d’une lentille L de vergence C = + 20 . Un objet plan, AB de hauteur 3 cm, perpendiculaire à l’axe principal en A est placé 12 cm devant cette lentille.

1. Calculer la distance focale de cette lentille. f’=

=

= 0,05 m = 5 cm.

2. Placer sur le schéma (papier millimétré) les points F, F’, A et B.

3. Constructions à l’échelle sur le schéma :

a. Sur la figure 1 ci-dessous réaliser en bleu la construction de l’image A’B’.

b. Construire en rouge le faisceau issu de B et couvrant la lentille.

4. Déterminer graphiquement la position de l’image ainsi sa taille. ’ =8 cm ’ ’ =-2 cm

A’

B’

Chapitre 1 – TP2- 1ère S LENTILLE MINCE CONVERGENTE RELATION DE CONJUGAISON ET

GRANDISSEMENT

OBSERVER

1. EXPERIENCE : Dans cette expérience, on va utiliser une source lumineuse, un objet (lettre P), une lentille convergente sur son support et un écran. Le tout est positionné sur un banc gradué.

On pourra donc déterminer les distances entre les différents éléments.

Le but de cette expérience est de modifier la distance entre l’objet et la

lentille et de trouver pour chaque position, la place de l’écran qui permet

d’obtenir une image nette.

Attention : Les réglages sont corrects quand on visualise sur l’écran une lettre P aux contours bien nets. 2. MESURES : Utiliser la lentille de vergence 10 δ. a. Mesurer la hauteur AB = ....2... cm.

b. Placer la lentille convergente (+ 10 ) à une distance OA = 75 cm (attention OA = - 75 cm car le centre optique de la lentille est par convention situé à l’abscisse 0). c. Déplacer l’écran jusqu’à y faire apparaître une image A’B’ nette de l’objet AB. d. Citer les caractéristiques de l’image obtenue : nature, sens, taille. Réelle, inversée, plus petite que l’objet (-0,4 cm).

e. Mesurer la distance 'OA entre la lentille et l’écran. 11 cm.

f. Mesurer la hauteur A’B’ de l’image et repérer son sens, en déduire : '' BA .

A’B’= 0,4 cm donc =-0,4 cm. g. Compléter le tableau et refaire l’expérience avec les autres valeurs proposées. 3. RESULTATS

OA (cm) -75 -50 -45 -40 -30 -25 -20 -15

'OA (cm) 11 12,2 12,5 13,2 14,8 16,7 20,3 33,1

''BA (cm) -0,4 -0,6 -0,7 -0,8 -1,1 -1,5 -2,2 -4,6

Comment évoluent la position et la taille de l’image quand l’objet se rapproche de la lentille ? 4. EXPLOITATION DES RESULTATS A. Relation de conjugaison

a. Saisir ce tableau dans un tableur. Attention, il faudra deux lignes pour et deux lignes pour : la première où les valeurs seront saisies en cm, et la seconde où une formule de calcul permettra de les convertir directement en m. Enregistrer le fichier dans votre H (classe).

b. Tracer la courbe 'OA = f( OA ). Cette courbe est-elle simple à modéliser ? Non, on ne connait pas l’équation d’une telle courbe.

c. Créer dans votre tableau sur des nouvelles lignes les grandeurs OA

1 et

'

1

OA .

puis tracer la courbe '

1

OA= f(

OA

1).

d. Noter l’équation de cette droite en arrondissant les coefficients à l’entier le plus proche.

f(x)=x+10 ou 1/ = 1/ + 10. e. Comparer l’ordonnée à l’origine à la vergence de la lentille. L’ordonnée à l’origine est égale à la vergence de la lentille (10 δ). f. En déduire l’équation de cette droite appelée relation de conjugaison.

RELATION DE CONJUGAISON

1/ = 1/ + V ou 1/ = 1/ + 1/f’

B. Relation de grandissement

a. En utilisant le tableur créer sur des nouvelles lignes les grandeurs : OA

OA' et

AB

BA ''.

b. Comparer les deux dernières lignes du tableau et en déduire la relation du grandissement. Le grandissement se note .

RELATION DE GRANDISSEMENT

γ=OA

OA'=

AB

BA ''

5. Allons un peu plus loin ! a. A l’aide de la relation de conjugaison, déterminer la position de l’image correspondant à un objet situé à 5 cm devant la lentille.

=-5 cm=-0,05 m donc 1/ = 1/-0,05 = -20

1/ = 1/ + V donc 1/ = -20 +10 = -10

Donc =1/-10 = -0,1 m = -10 cm b. Réaliser expérimentalement cette situation. c. Peut-on projeter cette image sur un écran ? Non. Elle n’est pas réelle : c’est une image virtuelle. d. Que faut-il faire pour observer cette image ? Il faut l’observer à travers la lentille. e. Citer les caractéristiques de cette image : nature, sens, taille. C’est une image virtuelle, droite, plus grande que l’objet. f. Citer une application correspondant à cette situation. La loupe fonctionne sur ce principe.

g. Réaliser un schéma correspondant à OA = - 5 cm en prenant l’échelle horizontale 1 cm pour 2,5 cm puis faire la construction de l’image.

h. Vérifier graphiquement que la position de l’image est bien cohérente avec celle calculée à la question a.

F F’ O A

B

2 cm

2 cm

A’

B’

Δ

Utiliser un tableur grapheur pour exploiter des résultats.

1ère étape: Ouvrir le logiciel Open Office et ouvrir un nouveau classeur. Mettre les noms, prénoms, des élèves du binôme en haut à gauche dans la 1ère feuille de calcul.

2ème étape:

Recopier la ligne du tableau qui donne la valeur de . Créer une 2ème ligne pour calculer la distance en m (faire une

formule de calcul et l’appliquer à toute la ligne) ;

Faire la même chose avec la ligne ’.

3ème étape:

On va créer un graphique qui donnera ’ en fonction de .

Sélectionner les valeurs de puis en maintenant la touche Ctrl, sélectionner les valeurs de ’ . Aller sur cliquer sur diagramme.

Choisir « dispersion » et points et lignes. Cliquer sur suivant. Cocher « série de données en ligne », puis sur suivant. Vérifier que les valeurs sur l’axe des x correspondent bien à et celles sur l’axe

des y à ’ . Cliquer sur suivant et compléter le titre du graphique et celui des axes. Cocher la case pour afficher une grille sur l’axe des x. Il est possible de déplacer et redimensionner le graphique. Enregistrer le travail. En observant ces 2 graphiques, une relation

simple entre et ’ semble-t-elle exister ?

4ème étape:

On va maintenant créer 2 nouvelles lignes dans le tableau. Dans l’une on calculera 1/ avec en m et dans l’autre, on

calculera 1/ ’ avec ’ en m.

5ème étape:

Créer 2 nouveaux graphiques. Pour chaque graphique, on placera 1/ sur l’axe des abscisses et 1/ ’ sur l’axe des ordonnées. Retourner à la 3ème étape pour voir la création d’un graphique. Enfin, sur ces 2 graphiques, insérer une courbe de tendance de type régression linéaire. Quelles remarques peut-on faire sur ces 2 graphiques ?Peut-on trouver une relation qui relie ces grandeurs ? Si oui, laquelle ?

Chapitre 1 – TP3- 1ère S ŒIL ET APPAREIL PHOTOGRAPHIQUE

OBSERVER

L’œil et l’appareil photographique fonctionnent-ils de la même façon ?

Les élèves commencent à réfléchir. Aidez-les à répondre à la question posée par le professeur.

On compare souvent le fonctionnement de l’œil à celui

d’un appareil photographique.

A partir de vos connaissances et à l’aide de documents

et d’expériences, vous rédigerez un court rapport sur

une feuille, sous forme de réponse argumentée,

permettant de conclure si cette comparaison est

justifiée.

Quels sont les éléments qui

constituent un appareil

photographique ?

A quoi servent-ils ?

Comment expliquer que

l’image reste nette lorsque

l’objet vu s’éloigne ou se

rapproche ?

Ne pourrions-nous pas

reproduire avec le matériel

disposé sur notre table le

fonctionnement d’un œil ?

DOCUMENT 1 : Schéma de l’œil

L’œil humain est un globe pratiquement sphérique d’environ 25 mm de diamètre. Il est entouré à l’extérieur par une membrane extérieure épaisse, très dure, de couleur blanche : la sclérotique. La membrane interne est la rétine qui tapisse la partie arrière du globe et se prolonge par le nerf optique. Elle est constituée de plusieurs couches de cellules nerveuses dont certaines sont sensibles aux radiations dans un domaine de longueurs d’onde comprises entre 400 et 800 nm. Le cristallin est une capsule élastique transparente dont la courbure des faces se modifie sous l’action des muscles ciliaires. La pupille est l’ouverture centrale de l’iris, partie colorée de l’œil. Son diamètre peut varier de 2 à 8 mm en fonction de la luminosité.

DOCUMENT 2 : Schéma de l’appareil photographique :

DOCUMENT 3 : presbytie

Vous connaissez sans doute les premiers signes de la presbytie : tenir un journal à bout de bras pour pouvoir lire, reculer son écran d’ordinateur pour faire la mise au point… Personne ne peut lui échapper car la presbytie est un phénomène normal et naturel que l’on ne peut ni prévenir, ni guérir. Il ne s’agit ni d’une maladie, ni d’une anomalie, mais simplement du vieillissement du cristallin qui réduit la capacité à distinguer nettement les objets rapprochés. Le cristallin devient moins souple, moins élastique et les muscles ciliaires alentours s’affaiblissent aussi.

DOCUMENTS 4 et 5 (disponibles sur l’ordinateur du bureau): Logiciel « L’œil », et l’animation « mise_au-

point.swf ».

Exemple de démarche et de rapport :

Etape 1 :

1. Composition de l’œil ? Rôle des différentes parties ? 2. Composition de l’appareil photo ? Rôle des différentes parties ? 3. Comment simuler l’œil avec le matériel ? 4. Comment expliquer que l’image soit toujours nette quand la distance de l’objet change ? 5. Points communs et différences entre l’œil et l’appareil photo ?

Etape 2 :

1. Iris : augmenter ou diminuer la quantité de lumière. Rétine : recevoir l’image. Cristallin : lentille pour former l’image.

2. Diaphragme : augmenter ou diminuer la quantité de lumière. Capteur : recevoir l’image. Objectif : lentille pour former l’image.

3. Matériel :

4. Dans le logiciel « l’œil » : accommodationles muscles ciliaires modifient la forme du cristallin. Dans l’appareil photo, la place de la lentille change.

5. Utiliser la question 4.

Etape 3 : problématique.

1. Quels sont les points communs et les différences entre le fonctionnement d’un œil et d’un appareil photographique ?

2. En simulant un œil, comment expliquer que l’on peut voir nettement un objet éloigné aussi bien qu’un objet proche ?

Etape 4 :

Etape 5 :

Introduction :

Pour établir une comparaison entre l’œil et l’appareil photographique, il faut préciser leur constitution,

ainsi que le rôle des différentes parties. La simulation du modèle de l’œil permet de comprendre son

fonctionnement, et les différences dans la mise au point.

Mis en forme :

1. Les points communs entre un œil et un appareil photographique sont les suivants :

Fonction Œil réel Appareil photographique

Régulation de la quantité de lumière

Iris Diaphragme

Formation de l’image

Cristallin Objectif

Réception de l’image

Rétine Capteur

2. On peut modéliser un œil réduit par un montage simple :

Les différences se situent au niveau de la mise au point. Dans un appareil photographique, elle se fait par

déplacement de la lentille. Alors que pour l’œil, il y a le phénomène d’accommodation : les muscles

ciliaires se contractent et déforment le cristallin. Ce qui modifie la distance focale.

Conclusion :

Un œil et un appareil photographique ont des fonctionnements similaires. Le but est de former une

image nette d’un objet, qu’il soit proche ou éloigné. L’œil le fait par accommodation, alors que l’appareil

photo le fait par déplacement de la lentille.

Documents

Cours 1S