1. L'OEIL :

a) Description sommaire :

L'œil a la forme d'un globe à peu près sphérique, d'environ 23 mm de diamètre.

La cornée est la paroi extérieure de la partie avant de l'œil; c'est une membrane transparente.

La sclérotique est la paroi extérieure du reste de l'œil; c'est une membrane fibreuse et d'aspect blanc laiteux.

L'iris est une membrane colorée située en avant du cristallin et très près de lui; à quelques mm de la cornée. Il est percé d'une ouverture circulaire: la pupille.

La pupille joue le rôle d'un diaphragme. Elle parait noire, car elle est l'ouverture d'une chambre noire. Par le jeu des muscles de l'iris, l'ouverture de la pupille varie de:

• 2 mm en lumière très vive;
• jusque 8 - 10 mm dans l'obscurité.

Elle règle ainsi la quantité de lumière entrant dans l'œil.

La rétine est une membrane nerveuse, un écran sensible à la lumière sur lequel viennent se former les images. Est formée par l'épanouissement du nerf optique qui part du cerveau. Les fibres du nerf optique qui s'épanouissent ainsi pour former la rétine, se terminent par:

• des cellules coniques ("les cônes): permettant la vision des couleurs;
• des cellules cylindriques ("les bâtonnets"): permettant de distinguer des intensités lumineuses différentes, donc fonctionnent pour la vision "noir et blanc".

Ces différentes cellules sont réparties sur toute la surface de la rétine et sont rangées côte à côte perpendiculairement à la surface.

Cependant, au fur et à mesure que l'on se rapproche du centre de la rétine, on peut remarquer une augmentation de la proportion en cônes, ce qui signifie une augmentation de la perception des couleurs (ainsi qu'une netteté d'image maximum).

A l'inverse, un éloignement du centre de la rétine voit la proportion en bâtonnets augmenter, donc une sensibilité moindre (image floue).

La zone de 2 mm entourant l'axe optique, là où la sensibilité de l'œil est la meilleure est appelée "TACHE JAUNE", et dans cette "tache", la microzone où les cônes sont forts rapprochés est appelée "FOVEA CENTRALIS" (mot latin : "fosse centrale").

QUESTION : Comment observer de la meilleure manière les Pléiades, à l'œil nu ?

De plus, là où le nerf optique 'file' vers le cerveau, il existe une zone neutre, où aucune cellule n'est présente. Il n'y a donc aucune sensibilité lumineuse sur cette zone.

EXPERIENCE : Fermez l'œil gauche, fixez un point sur un mur avec l'œil droit, tendez votre bras et lever le pouce. Tout en fixant le mur, en bougeant le bras et en ne bougeant pas les yeux, voyez-vous votre pouce disparaître par enchantement? Si oui, vous avez détecté votre zone neutre ?

Le cristallin est maintenu par son pourtour par un muscle annulaire appelé "corps ciliaire". La contraction de ce muscle va modifier la courbure du cristallin, donc va permettre l'accommodation(voir plus loin).

b) Optique de l'œil :

Du point de vue optique, l'œil est un système complexe.

Le cristallin est un corps et forme de lentille biconvexe déformable par le corps ciliaire.

La vision d'un objet est nette quand son image se forme sur la rétine, de préférence sur la fovea centralis. Il n'est pas nécessaire que l'image formée soit absolument nette.

c) L'accommodation :

On appelle accommodation la faculté que possède l'œil de modifier sa convergence par déformation du cristallin de manière à voir nettement des objets situés à des distances différentes.

L'œil étant assimilable à une lentille ne pourrait, s'il avait une forme fixe, donner sur la rétine des images nettes d'objets situés à des distances différentes.

Quand le corps ciliaire ne fait aucun effort, l'œil voit nettement les objets situés à des distances différentes.

Quand l'œil regarde des objets plus rapprochés, il se produit sous l'action du corps ciliaire, une déformation du cristallin: il devient ainsi plus convergent et ramène sur la rétine les images qui, autrement, se formeraient en arrière de celle-ci.

Au plus l'objet est proche de l'œil, au plus l'accommodation (l'effort du muscle cristallin) est forte: sensation d'inconfort  FATIGUE VISUELLE.

Cependant, il existe un point, situé à environ 25 cm de l'œil, qui permet de voir un objet proche sans fatigue de l'œil, c'est le punctum optimum.

QUESTION : Pourquoi place-t-on spontanément un document à lire à environ 25 cm de l'œil, et pas à 50 où 5 cm... ?

Contrairement à l'Homme, le cristallin du cheval est (pratiquement) fixe et ne peut donc (presque) pas accommoder. Il lui faudra donc jouer sur un autre paramètre afin de voir des objets situés à des distances différentes. Sa rétine étant aplatie, le cheval devra incliner ou relever la tête suivant la distance à laquelle est situé l'objet.

d) Vision binoculaire :

L'image produite sur la rétine de l'œil droit par un objet quelconque est légèrement différente de celle produite sur la rétine de l'œil gauche en raison du fait que les rayons lumineux ne sont pas rigoureusement parallèles. Le cerveau percevant cette différence l'interprète comme le relief.

EXPERIENCE : Masquez-vous un œil pendant une dizaine de minutes. Ensuite, plaçez-vous au niveau d'une table et essayez de vous verser un verre d'eau ?

2. LA LUMIERE :

a) Définition :

Nos ancêtres avaient élaboré plusieurs modèles afin d'expliquer les différentes expériences réalisées. Actuellement, la lumière est considérée comme un compromis entre deux modèles:

• Modèle corpusculaire: elle est composée de photons, particules énergétiques dénuées de masse, nous arrivant en petits paquets (flux).
• Modèle ondulatoire: elle est une onde électromagnétique se déplaçant à très grande vitesse (300 000 km.s -1)

b) Mesures :

De nombreux philosophes et physiciens se sont longuement penchés sur la signification à donner à la vitesse prodigieuse de la lumière; restée très longtemps non-mesurable et considérée par certains comme infinie. Une expérience qui ne garde plus, à l'heure actuelle qu'une signification historique avait été tentée, sans succès comme on le comprendra aisément, par Galilée et un de ses assistants. Tous deux, munis d'une lanterne et d'un écran, se trouvaient à quelques kilomètres l'un de l'autre. Aucun obstacle ne les séparait. Au départ, les deux lanternes étaient cachées par leur écran. Galilée découvrait d'abord sa lanterne et son assistant avait la mission de découvrir la sienne sans délai dès qu'il apercevait la lueur venant de celle de son maître. Galilée se proposait de calculer le temps nécessaire à la lumière pour parcourir la distance de lui à son assistant. On comprend à l'heure actuelle que le résultat de cette expérience fut négatif : il en déduit donc la vitesse infinie de la lumière.

Une mesure sérieuse ne pouvait donc être tentée que sur une distance bien plus grande.

Nous nous intéresserons à la méthode de l'astronome danois Roemer qui, en 1875, effectuait des mesures du temps de révolution des satellites de Jupiter. Depuis, des mesures plus précises ont été réalisées au moyen de dispositifs relativement peu compliqués mais encombrants (méthode de Fizeau et la méthode de Foucault).

c) Méthode de Roemer :

Par mesure de simplicité, nous avons représenté comme sphériques les orbites de la Terre et de Jupiter. Soient r et R les rayons respectifs. Roemer compte d'abord n révolutions d'un satellite de Jupiter lorsque les positions relatives des Soleil, Terre et Jupiter passent de SAJ à BSJ, et mesure un temps t 1 d'environ 6 mois. Il compte ensuite le même nombre n de révolutions de ce même satellite durant le passage de la position BSJ à SAJ, et mesure un temps t 2.

Appelant c la vitesse de la lumière, T la période fixe réelle de révolution du satellite envisagé de Jupiter, R et r les rayons des orbites de Jupiter et de la Terre, on a :

Le temps que met la lumière pour parcourir la distance JB=R+r ,

Le temps que met la lumière pour parcourir la distance JA=R-r .

Au cours de la période d'environ six mois qui suit t₁, les n révolutions du satellite fournissent sur Terre une mesure t₂ telle que :

et donc :

Roemer trouve que : = 32 minutes et 20 secondes.

Soit pour une valeur de r est égale à 1,5 . 10 ¹¹ mètres :

Pour l'époque, la méthode de Roemer était relativement précise. Actuellement, on préfère effectuer des mesure terrestres en raison des incertitudes sur le rayon et la forme de l'orbite terrestre, et surtout sur les trajectoires réelles de Jupiter et de son satellite qui entrent aussi en ligne de compte pour un calcul précis.

d) Spectre visible :

La lumière est constituée de radiations électromagnétiques auxquelles l'œil humain est sensible. Des radiations de différentes longueurs d'ondes donnent lieu à différentes couleurs, tandis que la lumière blanche est constituée d'un mélange des radiation de ces différentes longueurs d'ondes.

La lumière blanche couvre la totalité du spectre visible qui d'étend de 380 à 780 nanomètres (1 nm = 10 -9 m). Les domaines approximatifs des longueurs d'ondes des couleurs sont donnés dans le tableau suivant.

Longueurs d'ondes approximatives des couleurs : longueur en nanomètres

Ultaviolet (UV)	< 380	Jaune	570 - 590
Violet	380 - 450	Orange	590 - 620
Bleu	450 - 500	Rouge	620 - 780
Vert	500 - 570	Infrarouge (IR)	> 780

 

Le spectre des radiations électromagnétiques s'étend bien au-delà de part et d'autre du spectre visible et recouvre une très large plage d'énergie.

La perception visuelle des couleurs provient de l'absorption sélective de certaines l de la lumière blanche par l'objet coloré :

• Si un objet solide opaque apparaît blanc, c'est que toutes les longueurs d'ondes sont réfléchies ;
• Si l'objet apparaît noir, c'est que la totalité de la lumière blanche est absorbée, donc toutes les longueurs d'ondes visibles sont absorbées ;
• Si l'objet nous apparaît coloré, c'est que sa couleur complémentaire est absorbée par cet objet (voir plus loin : méthode soustractive).

e) Sensibilité de l'œil humain :

Notre œil voit sa sensibilité varier en fonction de la longueur d'onde qui le frappe. Ainsi la couleur verte (l=550nm) engendre une sensibilité maximum.

3. LES COULEURS :

La perception de la couleur blanche est le résultat de l'addition de toutes les nuances possibles des couleurs rouge, bleue et verte.

Blanc = Rouge + Bleu + Vert

a) Obtention des différentes couleurs par addition :

Si on mélange les trois couleurs primaires Rouge, Vert et Bleu, on peut obtenir :

Jaune = Rouge + Vert

Magenta = Rouge + Bleu

Cyan = Bleu + Vert

Avec ces trois couleurs primaires (Rouge, Bleu et Vert) on obtient sept couleurs.

Applications : écrans : ensemble de pastilles RVB stimulées différemment par des électrons (TV, moniteurs PC, projecteurs vidéo, etc.).

b) Obtention des différentes couleurs par soustraction :

Cette méthode consiste afin d'obtenir une couleur désirée, a ôter, à l'aide d'un filtre, certaines longueurs d'ondes.

Si on ôte de la lumière blanche les trois couleurs primaires R, V et B, à l'aide d'un filtre dont les caractéristiques retiennent ces couleurs primaires, on peut obtenir:

Blanc - Bleu = Rouge + Vert = Jaune

Blanc - Vert = Rouge + Bleu = Magenta

Blanc - Rouge = Bleu + Vert = Cyan

Avec ces trois couleurs de soustraction Jaune, Magenta et Cyan (JMC), on obtient sept couleurs.

La somme JMC donne une couleur noire, donc toutes les longueurs d'ondes sont bloquées.

Applications : imprimantes couleurs, photos couleurs, imprimerie (journaux, folders, etc.)

QUESTION : Pourquoi sur une imprimante couleurs à jets d'encre y a-t-il 2 cartouches : une JMC et une noire ?

4. ILLUSIONS D'OPTIQUE :

a) le cinéma :

Une sensation lumineuse ne disparaît pas avec la lumière qu l'a produit. Elle persiste, en s'atténuant, 1/10 de seconde environ. Dès lors, une source lumineuse s'allumant et s'éteignant plus de dix fois par seconde semble émettre d'une façon continue et peut pourtant présenter des variations d'intensité. Si le rythme des apparitions s'accélère, cette impression d'oscillation disparaît. La source paraît continue. C'est le cas notamment des tubes fluorescents "néons".

Le cinéma utilise cette propriété de persistance des impressions lumineuses. On filme habituellement 24 vues par seconde de la scène à reproduire. La projection se fait au rythme de vingt-quatre vues par seconde avec une durée de 1/36 sec. Ces différentes vues sont séparées par un intervalle de 1/72 sec. durant lequel l'appareil substitue une vue à la précédente. Par suite de la persistance des impressions lumineuses, l'œil est trompé, il "n'arrive pas à suivre" et a donc la sensation d'un mouvement continu.

b) Les illusions d'optique :

L'œil, et par conséquent l'interprétation du cerveau, a tendance à saisir la stimulation visuelle comme un tout : il globalise. La globalité de ces images va tromper le cerveau alors que chaque élément pris séparément serait interprété justement.

SOURCES :

• "Analyse instrumentale : colorimétrie et spectrophotométrie d'absorption moléculaire (UV-Visible)", Dr. Ch. Vilain, ISPAC, HEProNam, 1998.
• "Physique expérimentale et optique géométrique", Prfs. Gh. Blanquet, G. Cardinael, C. Courtoy, FUNDPN 1997.