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Lumière et vision des objets

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Objectif : Nous utilisons l'œil, organe de la vision, pour observer des objets, pour nous diriger, pour étudier, communiquer... Toutes ces observations seraient impossibles sans lumière. Mais peut-on voir cette lumière ? Comment se propage-t-elle ? Dans quelles conditions un objet est-il visible pour un observateur ? Quel est le rôle du cerveau dans la vision ?

1. Qu'est-ce que la lumière ?

a. Principe de la propagation rectiligne

La lumière se propage en ligne droite dans le vide et dans tout milieu transparent et homogène.

Lors d'un « mirage », les couches d'air au niveau du sol sont plus chaudes, donc la propagation ne se fait pas en milieu homogène et donc n'est pas rectiligne.

b. Notion de rayon lumineux

Expérimentalement, il est impossible d'obtenir un pinceau lumineux infiniment fin, c'est-à-dire un rayon lumineux, car même si l'on place une ouverture très petite devant la lumière, le faisceau s'élargit : c'est le phénomène de diffraction.

Le rayon lumineux n'est q'un modèle géométrique permettant de décrire le comportement d'un faisceau lumineux :

On le représente par un segment de droite muni d'une flèche orientée dans le sens de la propagation de la lumière.

Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux.

c. Comment modifier un faisceau lumineux ?

Un miroir modifie la direction du faisceau lumineux en le réfléchissant.

Les lentilles qui sont des milieux transparents limités par deux surfaces, modifient la forme du rayon lumineux :

les lentilles à bord mince, dites convergentes, transforment le faisceau parallèle en faisceau convergent ;

les lentilles à bord épais, dites divergentes, transforment le faisceau parallèle en faisceau divergent

2. Vision des objets

a. Peut-on « voir » la lumière ?

Le faisceau lumineux d'un laser est-il visible lorsque l'air est limpide ? Non, il sera invisible, on ne verra que la tache du laser sur le mur éclairé, donc la lumière renvoyée par l'écran vers notre œil.
Le faisceau lumineux d'un laser sera-t-il plus visible en présence d'un léger brouillard ou de poussières dans l'air ? Oui, en effet, il sera alors visible car les gouttelettes d'eau ou les particules de poussière rencontrées par le faisceau vont diffuser la lumière, c'est-à-dire la renvoyer dans toutes les directions, y compris vers notre œil.

Donc on ne « voit » pas la lumière car ce n'est pas un objet mais on peut voir cet objet s'il est éclairé ou s'il émet de la lumière.

b.Sources lumineuses primaires et objets diffusants

Certains objets lumineux produisent eux-mêmes la lumière qu'ils émettent : ce sont des sources lumineuses dites primaires.Exemples : Les étoiles, le filament incandescent, un écran de télévision...
D'autres objets, comme les poussières, diffusent une partie de la lumière qu'ils reçoivent d'un autre objet lumineux : ce sont des objets diffusants, appelés aussi sources lumineuses secondaires.

Exemples : Dans la liste suivante, quels sont les sources lumineuses primaires et les objets diffusants ?
- Le Soleil : source lumineuse primaire.
- Un tube néon : source lumineuse primaire.
- La Lune : objet diffusant (la lumière du Soleil vers la Terre et notamment vers nos yeux quand on l'observe).
- Une fleur : objet diffusant (en pleine nuit noire, elle ne sera pas visible).
- Un écran de cinéma : objet diffusant.
c. L'œil et le cerveau

La lumière émise ou diffusée (voir schéma ci-dessus) par l'objet ne peut être vue que si elle arrive dans l'œil et atteint la rétine suivant un parcours non rectiligne. Une fois la rétine impressionnée, un signal électrique est transmis, par l'intermédiaire du nerf optique, au cerveau. Le cerveau « traite » les informations reçues et fournit une représentation de l'objet (forme, couleur, taille...) comme si la lumière issue de l'objet venait directement en ligne droite.

L'essentiel
La lumière se propage en ligne droite dans le vide et dans tout milieu transparent homogène.

Un faisceau lumineux ou un pinceau de lumière peut être représenté par un ensemble de rayons lumineux, qui ne constituent qu'un modèle et qu'il est impossible d'isoler.

La lumière n'est pas visible, elle permet de voir les objets lumineux dont elle est issue, qu'ils soient des sources lumineuses primaires ou des objets diffusants.

Un objet ne peut-être vu que si de la lumière provenant de cet objet arrive dans l'œil, puis impressionne la rétine ; la lumière est alors transmise au cerveau et traitée par celui-ci.