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Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 1. Œil, lentilles minces et images.

Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 1. Œil, lentilles minces et images. © Nathan 2011 1 / 19 Chapitre 1 - Œil, lentilles minces et images Manuel pages 12 à 27 Choix pédagogiques Le cours de ce premier chapitre précise tout d'abord la notion d'objet et d'image en optique. Puis après une description de l'œil réel, les propriétés du modèle des lentilles minces convergentes sont énoncées. La détermination de la position et de la taille de l'image d'un objet-plan est effectuée graphiquement permettant à l'élève de se familiariser avec le tracé des rayons de lumière. Le chapitre se termine sur le modèle de l'œil réduit. Ce modèle est uniquement utilisé pour expliquer la vision d'un objet à l'infini, l'accommodation étant traitée dans le chapitre suivant. Conformément au programme, les conditions de Gauss ne sont pas traitées mais elles sont évoquées dans une remarque. Les connaissances acquises au collège sur les lentilles et l'œil (notamment une présentation des éléments de l'œil avec une modélisation élémentaire par une lentille convergente) peuvent être réinvesties pour amorcer la réflexion sur les photographies de la double page d’ouverture. Des animations et des simulations ont été créées pour illustrer ce chapitre et aider à sa compréhension. Elles sont disponibles dans le manuel numérique enrichi. Double page d’ouverture Pour améliorer sa vision, cette personne utilise une lentille oculaire La description de la photographie doit permettre aux élèves d’évoquer d’une part le fonctionnement de l’œil, organe de la vision, qui fournit une image des objets, et d’autre part une lentille, qui, dans certaines conditions, fournit elle aussi, l’image d’un objet. La question a pour objectif de souligner la complexité de l’œil et de suggérer la possibilité de modéliser son fonctionnement par une simple lentille. Qu’une partie de l’œil soit équivalente à une lentille apparaît d’autant plus plausible aux élèves qu’un modèle élémentaire de l’œil a été étudié au collège. La loupe donne une image agrandie En partant d’une situation de la vie courante, la photographie montre une utilisation particulière d’une lentille qui n’a pas été étudiée au collège. L’image n’est pas observée sur un écran : un appareil photographique mis à la place de l’œil a capté l’image agrandie de l’animal étudié. Une première discussion sur ce point peut être engagée. La question a pour but de susciter la curiosité des élèves qui connaissent l’existence du foyer image d’une lentille convergente et ont appris à déterminer sa position expérimentalement. La discussion pourra porter sur la nature de la lentille (convergente ou divergente) puis sur le lien entre distance focale et vergence, lien qui sera développé dans le cours. La présentation de différentes loupes et leur manipulation par les élèves sont envisageables pendant cet échange d’idées. Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 1. Œil, lentilles minces et images. © Nathan 2011 2 / 19 La lune observée avec une lunette astronomique composée de différentes lentilles Les seules images étudiées au collège sont obtenues avec une lentille convergente sur un écran et ces images ne sont pas de même sens que l’objet. Le débat portera tout d’abord sur le qualificatif de l’image : « droite » ou « renversée ». Une observation de la photographie proposée ne permet pas de répondre à la question posée sur le sens de l’image. La discussion sera enrichie par l’observation de la photographie précédente qui fournit une image de même sens que l’objet. Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1. Les théories de la vision au cours des siècles Commentaires Cette activité retrace l'histoire de la construction des connaissances sur la vision avec ses difficultés, ses hypothèses fausses et ses remises en question pour aboutir à une théorie admise de nos jours. La dernière question invite à une recherche documentaire. Réponses 1. Analyser les documents a. Les deux théories de la vision développées par les penseurs de l’Antiquité sont d’une part la théorie de l’émission (l’œil émet des « rayons visuels ») et d’autre part la théorie de l’intromission ( une « image » de l’objet vient jusqu’à l’œil). b. La question sur le mécanisme de la vision qui divisa pendant des siècles les scientifiques est la suivante : « La vision est-elle le résultat de l’émission ou de l’entrée dans l’oeil de quelque chose ? » Une réponse à cette question est apportée au XIe siècle : l’œil reçoit une certaine quantité de lumière, des rayons de lumière partant de chaque point d’un objet parviennent à l'œil La vision est expliquée par le scientifique persan, Alhazen, qui s’appuie sur des observations expérimentales pour étayer sa théorie. c. Descartes et Kepler complètent la théorie du mécanisme de la vision en expliquant le trajet dans l’œil des rayons de lumière issus d'un objet et la formation d’une image renversée de cet objet sur la rétine. 2. Interpréter et faire une recherche D’après la théorie du mécanisme de la vision adoptée par Descartes et Kepler, les rayons de lumière proviennent de l’objet regardé et non de l’oeil. Admettre « des sources permanentes de lumière dans les yeux » est donc contraire à leur théorie. L’explication de l’aspect brillant des yeux des chats est autre : leur rétine comporte une couche de cellules appelée tapetum lucidum, locution latine signifiant « tapis brillant », qui agit comme un miroir et renvoie la lumière perçue. Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 1. Œil, lentilles minces et images. © Nathan 2011 3 / 19 Activité documentaire 2. Anatomie et modèle optique de l’œil Commentaires Les documents proposés décrivent l'œil humain et le passage au modèle est ensuite abordé. La dernière question invite à une recherche documentaire. L'étude des trois types différents de cônes donnant la vision des couleurs n'est pas indispensable ici. Réponses 1. Analyser les documents a. Les milieux transparents traversés par les rayons de lumière qui pénètrent dans l’œil sont la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin et l’humeur vitrée. Les changements de direction des rayons se produisent lorsqu’ils traversent la surface de séparation entre deux milieux transparents : air-cornée; cornée-humeur aqueuse ; humeur aqueuse–cristallin ; cristallin-humeur vitrée. b. L'iris est la partie colorée et visible de l'oeil ; il contrôle la taille de la pupille (qui est son ouverture centrale) et donc les rayons de lumière pénétrant dans l’oeil ; il joue un rôle de diaphragme. Le diamètre de la pupille diminue quand la luminosité augmente. c. La rétine est la membrane qui tapisse la partie arrière du globe oculaire. Elle sert d’écran à l’image formée par les rayons de lumière. d. Dans le modèle optique de l’œil, la lentille est associée à l’ensemble des milieux transparents (dont la cornée et le cristallin), l’écran est associé à la rétine, le diaphragme à l’iris. 2. Interpréter a. Le schéma du modèle optique de l’œil comporte trois éléments : un diaphragme, une lentille mince convergente et un écran. b. La distance entre la lentille et l’écran est constante. 3. Faire une recherche Le rôle de la rétine ne se limite pas à une simple fonction d’écran. Ses cellules nerveuses traitent et acheminent l'information visuelle vers le cerveau. Des cellules sensorielles (cônes et bâtonnets) captent la lumière et transforment l’énergie lumineuse en messages nerveux. D’autres cellules dont le prolongement forme le nerf optique transmettent ces messages nerveux au cerveau. La répartition des cellules est très différente au niveau de la fovéa et du point aveugle : la fovéa présente une forte concentration en cellules sensorielles (cônes) alors que le point aveugle en est totalement dépourvu. Sirius 1re S - Livre du professeur Chapitre 1. Œil, lentilles minces et images. © Nathan 2011 4 / 19 Activité expérimentale 3. Propriétés des lentilles convergentes Commentaires Suivant le matériel disponible, la première expérience est réalisée par le professeur qui utilise alors un support magnétique vertical, visible par l’ensemble de la classe, ou par les élèves sur leur table. Les lentilles utilisées sont des lentilles de démonstration. La deuxième expérience se réalise sur banc d'optique. Selon le déroulement de la séance, la notion d'image réelle et d'image virtuelle peut être également introduite. Réponses 1. Observer Cas a : des rayons de lumière parallèles à l’axe de la lentille arrivent sur la lentille. Les rayons qui émergeant se coupent en un point. Cas b : des rayons de lumière incidents passant par un point arrivent sur la lentille. Les rayons qui émergent sont parallèles à l’axe de la lentille. 2. Interpréter a. La lentille est dite convergente car les rayons dans le cas a convergent en un point. Il existe des lentilles qui ne sont pas convergentes, elles sont divergentes. b. Le foyer image, noté F’ est un point où convergent les rayons émergents lorsque les rayons de lumière incidents sont parallèles à l’axe de la lentille, axe de symétrie appelé axe optique. Le foyer objet, noté F est tel que tout rayon incident passant par F, donne un rayon émergent parallèle à l’axe de la lentille. c. Schéma de l’expérience : d. La distance focale est donnée par la mesure de OF’ (valeur suivant la lentille utilisée). Sirius 1re S uploads/Management/ nathan-physique-chimie-1-ercorrigesmanuelslycee.pdf