Vision, lumière et image | Physique-chimie Seconde

Ce que tu vas savoir faire

Comparer la vitesse de la lumière à d’autres vitesses et calculer un temps de trajet.
Distinguer lumière monochromatique, spectre continu et spectre de raies.
Exploiter les lois de Snell-Descartes pour réflexion et réfraction.
Expliquer qualitativement la dispersion par un prisme.
Construire l’image réelle donnée par une lentille mince convergente.
Déterminer le grandissement et modéliser l’œil réduit.

Avant de commencer

Utiliser une puissance de dix.
Mesurer un angle avec une normale.
Appliquer le théorème de Thalès.

Le chapitre en bref

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière est modélisée par des rayons rectilignes ; dans le vide, c=299 792 458 m·s⁻¹, souvent arrondi à 3,00×10⁸ m·s⁻¹. Un spectre renseigne sur la source. Réflexion et réfraction obéissent aux lois de Snell-Descartes. Un prisme disperse les longueurs d’onde. Une lentille mince convergente forme une image réelle par convergence des rayons ; sa taille et son sens se décrivent par le grandissement. L’œil réduit associe lentille convergente et rétine-écran.

1. La lumière se propage-t-elle vraiment instantanément ?

Dans un milieu homogène et transparent, on modélise la propagation par des rayons rectilignes. Une ombre ou un faisceau étroit teste ce modèle ; elle ne prouve pas que la lumière est instantanée.

Dans le vide, $c = 299 792 458 m· s^{−1}$ exactement, souvent arrondi à $3,00 × 10^{8} m· s^{−1}$ . Pour traverser une pièce de 6,0 m, $Δt = \frac{d}{c} ≈ 2,0 × 10^{−8} s$ : ce délai existe mais reste imperceptible. Dans l’air, la vitesse est très proche de c.

Très rapide ou réellement instantané ?

d=6,0 mΔt=d/cΔt≈2,0×10⁻⁸ s

Le délai est non nul mais imperceptible à l’échelle d’une pièce.

2. Comment un spectre renseigne-t-il sur une source ?

Un rayonnement monochromatique est caractérisé dans le vide ou l’air par une longueur d’onde λ. Dans le visible, elle est de l’ordre de 400 à 800 nm ; les limites sont indicatives et la couleur perçue ne se réduit pas toujours à une seule longueur d’onde.

Un corps chaud dense émet un spectre continu dont la répartition évolue avec la température. Un gaz excité à basse pression peut produire des raies à des longueurs d’onde propres aux transitions de ses atomes : comparer les positions des raies permet d’identifier des éléments, avec le contexte expérimental.

Quel spectre révèle quelle source ?

Corps chaud denseSpectre continuRépartition liée à la température

La forme globale et la position des raies ne donnent pas la même information.

3. Comment prévoir réflexion et réfraction ?

Les angles se mesurent par rapport à la normale à l’interface. Pour la réflexion, le rayon réfléchi reste dans le milieu initial et $r = i$ . Le rayon incident, la normale et les rayons réfléchi et réfracté appartiennent au même plan.

Pour la réfraction entre les milieux 1 et 2, $n_{1} sin i_{1} = n_{2} sin i_{2}$ . Si la lumière passe de l’air ( $n ≈ 1,00$ ) au verre ( $n ≈ 1,50$ ) avec $i_{1} = 30°$ , alors $sin i_{2} ≈ 0,333$ et $i_{2} ≈ 19,5°$ : le rayon se rapproche de la normale. Le crayon immergé paraît décalé parce que l’œil prolonge les rayons reçus.

Où mesurer l’angle et quelle loi choisir ?

Air n₁=1,00 ; verre n₂=1,50 ; i₁=30°n₁ sin i₁=n₂ sin i₂i₂≈19,5°

Vers un indice plus grand, le rayon se rapproche ici de la normale.

4. Pourquoi un prisme sépare-t-il la lumière blanche ?

Dans un milieu dispersif, l’indice dépend de la longueur d’onde. Les différentes composantes d’une lumière polychromatique ne sont donc pas réfractées exactement sous le même angle aux faces du prisme.

La lumière blanche produit alors un spectre continu. Un réseau sépare aussi les longueurs d’onde, par diffraction et interférences plutôt que par le même mécanisme que le prisme. L’arc-en-ciel mobilise réfraction, dispersion et réflexions internes dans les gouttes.

Le prisme crée-t-il les couleurs ?

Lumière blancheIndice dépendant de λDirections séparées selon λ

Le prisme sépare des composantes présentes ; le réseau emploie un autre mécanisme.

5. Comment construire l’image donnée par une lentille convergente ?

Une lentille mince convergente possède un centre optique O, un foyer objet F et un foyer image F′, avec OF′=f′>0. Un rayon passant par O n’est pas dévié dans le modèle ; un rayon incident parallèle à l’axe ressort par F′.

Pour un objet réel placé au-delà du foyer, les rayons émergents convergent et forment une image réelle que l’on peut recueillir sur un écran. L’intersection de deux rayons issus du sommet de l’objet suffit à localiser son image ; un troisième rayon sert de contrôle.

Quel rayon remarquable utilises-tu ?

Rayon incident parallèle à l’axeAprès la lentille, passage par F′Intersection avec le rayon par O

Deux rayons construisent l’image ; un troisième contrôle leur convergence.

6. Comment prévoir taille et sens de l’image ?

Avec des distances algébriques orientées sur l’axe, le grandissement vaut $γ = \frac{A′B′}{AB} = \frac{OA′}{OA}$ . Son signe indique le sens : $γ < 0$ correspond ici à une image renversée ; $|γ|$ compare les tailles.

Par exemple, $AB = 2,0 cm$ et $A′B′ = −3,0 cm$ donnent $γ = −1,5$ : l’image est renversée et 1,5 fois plus grande. Mesurer sur une construction exige une échelle annoncée et ne remplace pas la cohérence géométrique.

Que disent le signe et la valeur absolue de γ ?

AB=2,0 cm ; A′B′=−3,0 cmγ=A′B′/ABγ=−1,5

L’image est renversée et 1,5 fois plus grande.

7. Que conserve le modèle de l’œil réduit ?

L’œil réduit représente le système optique de l’œil par une lentille convergente, un diaphragme et un écran figurant la rétine. Pour voir net, l’image réelle doit se former sur la rétine.

Quand la distance de l’objet change, l’œil réel accommode en modifiant la puissance optique du cristallin ; la distance cristallin-rétine varie peu. Le modèle est utile pour la formation de l’image mais ne décrit ni les photorécepteurs, ni le traitement nerveux, ni toute la perception visuelle.

Que garde et que perd le modèle de l’œil réduit ?

Diaphragme + lentille convergenteImage réelle sur l’écran-rétineCondition de netteté optique

L’accommodation ajuste la puissance optique ; le cerveau et les photorécepteurs restent hors du modèle.

Erreurs fréquentes

L'essentiel à mémoriser

Trajet chronométré.
Spectre identifié.
Angles normalisés.
Couleurs dispersées.
Image construite.
Grandissement signé.
Œil modélisé.

Vérifier sa compréhension

Réponds aux 8 questions. Ton score et les réponses justes ou fausses apparaissent immédiatement.

1. Quel ordre de grandeur décrit c dans le vide ? 3,00×10⁸ m·s⁻¹ 343 m·s⁻¹ 3,00×10⁻⁸ m·s⁻¹

2. Qu’observe-t-on typiquement pour un gaz excité à basse pression ? Un spectre de raies Aucune longueur d’onde Toujours le même continu

3. Par rapport à quoi mesure-t-on l’angle d’incidence ? La normale La surface L’axe horizontal du cahier

4. Quelle relation décrit la réfraction ?

n_{1} sin i_{1} = n_{2} sin i_{2}

i_{1} + i_{2} = 0

U = R × I

5. Pourquoi un prisme disperse-t-il la lumière blanche ? Son indice dépend de la longueur d’onde Il crée de l’énergie colorée La lumière s’y propage sans déviation

6. Que devient un rayon parallèle à l’axe après une lentille convergente ? Il passe par F′ Il revient vers la source Il s’arrête au centre

7. γ=-1,5 signifie… image renversée et 1,5 fois plus grande image droite et plus petite absence d’image

8. Dans l’œil réduit, que représente l’écran ? La rétine La pupille Le nerf optique entier

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