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THEME : REPRESENTATION VISUELLE Sous-thème : De l'oeil au cerveau CHAPITRE 2 L'OEIL, ACCOMMODATION, DEFAUTS ET CORRECTION I. LE MODELE DE L'OEIL OU OEIL REDUIT (Rappel) Pour le physicien, l'oeil est constitué de trois parties principales : • L'ensemble pupille-iris qui joue le rôle de diaphragme ; • Le cristallin qui joue le rôle d'une lentille convergente (f ≈ 1,6 cm au repos) ; • La rétine qui joue le rôle d'écran. Le rôle de ces trois organes nous permet d'établir une analogie entre l'oeil et un instrument d'optique que l'on nommera oeil réduit. Pour constituer l'oeil réduit nous utilisons une ouverture circulaire, une lentille convergente et un écran. La distance lentille-écran correspond à la distance focale de la lentille. Compléter le schéma ci-dessus. II. FORMATION DE L'IMAGE RETINIENNE Expérience : Observer un objet lointain au travers de l'oeil réduit. Observations : Sur l'écran l'image est nette mais renversée. Interprétation : L'oeil voit nettement des objets éloignés car l'image se forme sur la rétine. Les rayons lumineux provenant d'un point objet de l'objet lum ineux convergent après traversée du cristallin en un point image correspondant sur la rétine. L'ensemble des points image formés constitue l'image de l'objet donnée par le cristallin. Conclusion : L'oeil normal ou emmétrope voit nettement des objets éloignés. L'image rétinienne, renversée par rapport à l'objet, est finalement perçue droite grâce à un travail du cerveau. Attention : Si les rayons issus d'un point objet viennent converger avant ou après la rétine, de la lumière atteint quand même la rétine, mais l'image n'est pas perçue nettement. III. L'ACCOMODATION DE L'OEIL EMMETROPE 1) Qu'est-ce que l'accommodation ? • Expérience n°1 Fermer les yeux puis ouvrir les yeux en visant un objet très éloigné ; recommencer l'expérience en visant directement un texte proche. La sensation est-elle la même lors de la visée de ces deux objets ? Observations L'oeil normal voit nettement et sans effort des objets éloignés. La vision de près, par contre, nécessite un effort musculaire d'où la sensation de fatigue. • Expérience n°2 Utilisation du banc d'optique. L'oeil réduit, pouvant être assimilé à une lentille mince convergente et un écran ; utiliser une lentille de vergence C = 8δ. Par exemple, placer un objet à la distance de la lentille OA = 40 cm et positionner l'écran pour recueillir une image nette. Approcher maintenant l'objet de la lentille, à la distance OA = 22,5 cm. Observations : Sur l'écran l'image est floue et renversée. Interprétation : L'oeil voit flou des objets proches car l'image ne se forme pas sur la rétine.
• Suite de l'expérience (on en est au point : il y a une image floue depuis que l'objet a été placé à 25 cm au lieu de 40 cm...) Proposer deux solutions pour retrouver une image nette. • 1ère solution : Eloigner l'écran de la lentille. • 2ème solution : Changer de lentille. Quelle lentille, parmi celles proposées : 2δ; 4δ et 10δ, doit-on choisir pour avoir une image nette ? Transposer cette interprétation au cas de notre oeil : que doit-il se passer pour garder une vision nette lorsqu'on approche un objet ? Quelle solution faut-il éliminer et pourquoi ? (sachant qu'on simule un oeil) Il faut éliminer la première solution car la distance cristallin-rétine est invariable. CONCLUSION Un oeil normal (ou oeil emmétrope) voit net et sans effort des objets éloignés. L'image se forme à l'envers sur la rétine et c'est le cerveau qui " la remet à l'endroit ». Pour voir nettement des objets proches, la distance cristallin-rétine étant invariable, les muscles ciliaires agissent sur le cristallin pour modifier sa courbure et donc sa vergence, afin de reformer l'image nette de l'objet sur la rétine. On dit que l'oeil accommode pour voir nettement des objets proches. A noter que le cristallin devient plus bombé et donc plus convergent lorsque l'objet se rapproche. La vergence C du cristallin augmente donc (et la distance focale C
f 1diminue). 2) L'oeil permet-il de voir nettement un objet à n'importe quelle distance ? A cette question, Léonard de Vinci (1452 -1519) que l'on peut considérer comme l'un des précurseurs de l'optique, donnait la réponse suivante : Interpréter la réponse de Léonard de Vinci. L'oeil ne peut pas voir nettement les objets très proches, nous allons vérifier ses dires. Expérience - Viser des objets de plus en plus éloignés. Jusqu'à quelle distance ces objets sont-ils vus nettement ? - Rapprocher de plus en plus un texte de vos yeux. Le texte est-il toujours vu nettement ? CONCLUSION Un oeil emmétrope (normal) peut voir nettement des objets situés entre deux points limites appelés le Punctum Remotum (P.R.) et le Punctum Proximum (P.P.) On appelle Punctum Remotum (PR) d'un oeil, le point le plus éloigné qu'un oeil voit net, sans accommoder (au repos). Pour un oeil normal, le PR se situe à l'infini. On appelle Punctum Proximum (PP) d'un oeil, le point le plus proche qu'un oeil voit net en accommodant au maximum. Pour un oeil normal, le PP se situe à environ 25 cm. La distance entre l'oeil et le PP est appelée distance minimale de vision distincte. En dessous de cette distance, l'oeil ne peut plus accommoder et les objets sont flous. OEIL NORMAL " Si l'oeil doit voir une chose de trop près, il ne peut pas bien la juger, comme il arrive à celui qui veut voir le bout de son nez. Donc en règle générale, la nature enseigne qu'on ne verra pas parfaitement une chose si l'intervalle qui se trouve entre l'oeil et la chose vue n'est pas au moins de la grandeur du visage. »
IV. LES DEFAUTS DE L'OEIL 1) L'histoire des lunettes C'est au Ier siècle que le philosophe Sénèque constate qu'en observant un objet à travers un ballon de verre rempli d'eau, on le voit plus gros. À la même époque, Pline l'Ancien décrit l'utilisation d'une émeraude par l'empereur Néron pour suivre les combats de gladiateurs ; il est possible que ce soit là l'attestation d'une lentille optique pour corriger la myopie. Le Moyen Âge voit se développer, dans les monastères en particulier, l'usage de la pierre de lecture, loupe grossissante posée sur le texte écrit, destinée à combattre les effets de la presbytie. Leur invention est parfois attribuée à Abbas Ibn Firnas, berbère andalou du IXe siècle, connu pour avoir mis au point la technique de taille du cristal de roche. Les travaux d'Alhazen, fondateur de l'optique physiologique, autour de l'an mille, donnent un fondement scientifique à cette technologie. Son traité est traduit en latin au XIIe siècle, peu avant l'invention des lunettes de vue en Italie, sans que le lien entre les deux évènements, probable, soit clairement attesté. Avant d'être réalisée en verre, les "pierres de lecture" étaient réalisées en pierre semi-précieuse ou en cristal de roche. Du mot béryl proviennent les mots pour désigner des lunettes de vues dans plusieurs langues européennes: bril en néerlandais, Brillen en allemand, besicles en français, belicres en occitan de Nice, mericles en occitan standard. C'est au XIIIe siècle à Florence que le physicien Salvino degli Armati met au point une paire de verres dont l'épaisseur et la courbure permettent de grossir les objets et les textes. La lunetterie et l'ophtalmologie se développent, les verres concaves apparaissent pour les myopes au XVe siècle. Les branches ne seront ajoutées qu'en 1746. Les lunettes de vue sont nées. En 1796, Pierre-Hyacinthe Caseaux, maître-cloutier à Morez, a l'idée d'employer le fil de fer pour fabriquer la monture d'une paire de lunettes. Morez est maintenant la capitale de la lunetterie française. Au milieu des années 1950, le design fait son apparition dans le domaine de la lunetterie ; la lunette n'est plus simplement une prothèse médicale. Dans les années 1980-1990 de nombreux designers lancent leurs collections, et la lunette devient un accessoire de mode, mêlant ergonomie et esthétisme. D'après Wikipédia. Questions - Quels étaient les matériaux utilisés pour les premiers verres de "lunettes» ? - Quels sont les deux défauts de vision cités dans le texte ? - Quels sont les deux autres principaux défauts de vision ? 2) La myopie ou quand l'oeil est trop long... • Quels sont les défauts de vision d'une personne myope ? Un myope voit flou les objets éloignés mais très bien les objets proches. • A l'aide du schéma ci-dessous, expliquer l'expression : l'oeil est " trop long ». On pourra prouver que l'image obtenue sur la rétine n'est pas nette en traçant judicieusement quelques rayons (voir pendant la séance)... La distance entre le cristallin et la rétine est trop longue par rapport à la distance focale du cristallin (oeil " trop long »). Un oeil myope est trop convergent. L'image de l'objet éloigné se forme en avant de la rétine qui reçoit une image floue Expérience : Quel type de lentille utilise-t-on pour corriger la myopie ? - Placer la lanterne avec l'objet lumineux à un bout du banc d'optique et le modèle de l'oeil à l'autre bout de façon à avoir une image nette sur l'écran. - Pour modéliser un oeil myope, remplacer la lentille de distance focale 12,5 cm par une lentille de distance focale 5 cm. L'image sur la rétine est-elle nette ? - Avec les lentilles mises à disposition, corriger la myopie en rendant l'image plus nette sur la rétine. Noter des solutions pour corriger la myopie en précisant le type de lentille utilisée. On donne aux élèves plusieurs lentilles divergentes et convergentes. Une lentille de -12δ permet de corriger la myopie. Des élèves qui remplaceraient la lentille du modèle de l'oeil myope ou hypermétrope modéliseraient tout simplement l'opération au laser de l'oeil. La correction de l'activité et l'écriture du cours peut se faire avec un tableau magnétique ou le logiciel " Optikos » de Serge Liager ce qui permet aux élèves de visualiser le trajet des rayons lumineux. CONCLUSION Un oeil MYOPE est trop convergent car l'image d'un objet se forme AVANT la rétine. Pour corriger ce défaut, il faut associer à l'oeil des verres correcteurs ou des lentilles divergentes (de vergence C négative). La correction peut également se faire par modification chirurgicale de la courbure de la cornée ou par implants dans l'humeur aqueuse ou le cristallin.