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Sciences — Physique ④ Optique et vision (dans le domaine physique-technologie 10 %)
Le cadrage officiel (corrigé)
L'optique et la vision constituent le sous-domaine n° 4 du domaine « sciences physiques et technologie » (10 % de l'épreuve de sciences). Le document officiel retient six contenus : propagation rectiligne de la lumière ; réflexion et réfraction ; lentilles et instruments d'optique ; l'œil et la vision ; les défauts de la vision et leur correction ; les couleurs. Épreuve écrite en français, questions fermées.
📌 Fil conducteur du chapitre : que devient le rayon lumineux ? Il se propage en ligne droite tant que le milieu reste homogène ; à la surface de séparation il peut être réfléchi, réfracté, ou les deux ; dans une lentille il converge ; dans l'œil il forme une image sur la rétine. Presque toutes les questions se ramènent à cette question unique.
1. La lumière : sources et propagation
Définition — Une source primaire émet sa propre lumière (le Soleil, une lampe, une flamme, une diode électroluminescente). Une source secondaire renvoie la lumière qu'elle reçoit (la Lune, un livre, un miroir). Dans le vide, la lumière se déplace à environ 300 000 kilomètres par seconde, soit trois cents millions de mètres par seconde ; cette vitesse diminue dans les milieux matériels transparents.
Définition — Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. C'est pourquoi un objet opaque interpose une zone sombre, l'ombre portée, derrière lui. C'est le même mécanisme qui explique les éclipses de Soleil et les ombres au sol.
Trois types de milieux
| Milieu | Comportement de la lumière | Exemples |
|---|---|---|
| Transparent | Traverse le milieu et on voit net à travers | Air, verre propre, eau claire |
| Translucide | Traverse mais se diffuse : on ne voit pas net | Verre dépoli, papier calque, tissu fin |
| Opaque | Ne traverse pas : il est absorbé ou réfléchi | Bois, métal, pierre, mur |
🎯 La Lune est un exemple de :
Bonne réponse : B. La Lune n'émet pas de lumière propre : elle diffuse celle du Soleil, c'est donc une source secondaire.
2. La réflexion
Définition — Quand la lumière frappe une surface, une partie est renvoyée dans le milieu d'origine : c'est la réflexion. Les deux lois à connaître : le rayon réfléchi est dans le même plan que le rayon incident et la normale ; l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence. Les angles se mesurent toujours par rapport à la normale, c'est-à-dire la perpendiculaire à la surface.
💡 Exemple numérique : un rayon qui arrive à 30 degrés par rapport à la normale repart à 30 degrés de l'autre côté de la normale. Un rayon qui arrive perpendiculairement (angle nul) revient sur lui-même.
Définition — L'image donnée par un miroir plan est virtuelle : elle ne peut pas être recueillie sur un écran, car les rayons ne se croisent pas réellement derrière le miroir. Elle a la même taille que l'objet, elle est droite, et elle est symétrique de l'objet par rapport au plan du miroir : la distance objet-miroir est égale à la distance image-miroir.
Exemple travailléUn objet placé à 1,5 m d'un miroir plan donne une image située à 1,5 m derrière le miroir. La distance entre l'objet et son image est donc de 3 m.
🔍 On retrouve ce phénomène dans les rétroviseurs et dans les miroirs des salles de bain : l'image est toujours symétrique, jamais agrandie.
🎯 Dans un miroir plan, l'image d'un objet est :
Bonne réponse : B. Le miroir plan donne une image virtuelle, droite, de même taille et symétrique : c'est le prolongement des rayons, et non leur croisement réel.
3. La réfraction et la loi de Snell-Descartes
Définition — La réfraction est le changement de direction de la lumière lorsqu'elle change de milieu. L'indice de réfraction d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans ce milieu : il est sans unité. Il vaut environ 1,00 pour l'air, 1,33 pour l'eau et 1,5 pour le verre. Plus l'indice est grand, plus la lumière ralentit dans ce milieu.
À retenir — Loi de Snell-Descartes : le produit de l'indice du premier milieu par le sinus de l'angle d'incidence est égal au produit de l'indice du second milieu par le sinus de l'angle de réfraction. Autrement dit : n₁ multiplié par le sinus de i₁ égale n₂ multiplié par le sinus de i₂.
Exemple travailléEn passant de l'air (indice 1,00) à l'eau (indice 1,33), un rayon arrive avec une incidence de 40 degrés et se réfracte à environ 28,9 degrés : il se rapproche de la normale. Pour une incidence de 60 degrés, on trouve environ 40,6 degrés. Le rayon réfracté se rapproche donc toujours de la normale quand le milieu de sortie est plus réfringent.
🔍 C'est pourquoi un bâton plongé dans l'eau paraît cassé : notre œil suppose que la lumière vient en ligne droite, alors que le rayon est dévié à la traversée de la surface.
Définition — Réflexion totale : lorsqu'un rayon passe d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent, il s'écarte de la normale. Au-delà d'un certain angle d'incidence, appelé angle limite, il n'y a plus de réfraction : toute la lumière est réfléchie. Pour la surface eau-air, l'angle limite vaut environ 49 degrés.
💡 Cette propriété est exploitée dans les fibres optiques : la lumière entrée dans le cœur de la fibre subit des réflexions totales successives et reste guidée sur de grandes distances. C'est la base d'internet par fibre et de l'endoscopie médicale.
🎯 Quand un rayon passe de l'air dans l'eau, il :
Bonne réponse : B. L'eau est plus réfringente que l'air : la lumière y ralentit et le rayon se rapproche de la normale.
4. Dispersion : prisme et arc-en-ciel
Définition — La lumière blanche est un mélange de radiations de couleurs différentes. L'indice de réfraction dépend légèrement de la couleur : un prisme dévie donc chaque couleur d'un angle différent et les sépare. Le violet est le plus dévié, le rouge le moins dévié.
- Le spectre visible s'étend d'environ 400 nanomètres pour le violet à environ 800 nanomètres pour le rouge.
- L'arc-en-ciel résulte de la réfraction, de la réflexion interne et de la dispersion de la lumière solaire dans les gouttes d'eau. Il faut que le Soleil soit dans le dos de l'observateur et que la pluie tombe devant lui. Le rouge est à l'extérieur de l'arc, le violet à l'intérieur.
- Le même phénomène s'observe dans les embruns au bord de la mer et dans les jets d'eau.
5. Les lentilles convergentes
Définition — Une lentille convergente, à bords minces, fait converger des rayons parallèles en un point appelé foyer image. La distance entre le centre optique de la lentille et ce foyer s'appelle la distance focale. La vergence est l'inverse de la distance focale exprimée en mètres ; elle se mesure en dioptries. Exemple : une distance focale de 0,20 mètre correspond à une vergence de 5 dioptries.
- 1) Rayon parallèle à l'axe optique : il ressort de la lentille en passant par le foyer image.
- 2) Rayon passant par le centre optique : il n'est pas dévié.
- 3) Rayon passant par le foyer objet : il ressort parallèlement à l'axe optique.
- 4) Ces trois rayons donnent la position et la taille de l'image.
Image selon la position de l'objet
| Position de l'objet | Nature de l'image | Taille et sens | Application |
|---|---|---|---|
| Au-delà de deux fois la distance focale | Réelle, recueillie sur un écran | Plus petite, renversée | Appareil photographique, œil |
| Entre la distance focale et deux fois celle-ci | Réelle | Plus grande, renversée | Projecteur de diapositives |
| Entre le centre optique et le foyer | Virtuelle, non projetable | Plus grande, droite | Loupe |
💡 Repère de vocabulaire : image réelle = les rayons se croisent vraiment, elle est projetable (appareil photo, rétine). Image virtuelle = c'est le prolongement des rayons qui se croise, elle ne se projette pas (miroir plan, loupe).
🎯 La vergence d'une lentille de distance focale 25 cm est :
Bonne réponse : B. On convertit d'abord en mètres : 25 cm = 0,25 m. La vergence est l'inverse : 1 ÷ 0,25 = 4 dioptries.
6. L'œil et la vision
Les éléments de l'œil et leur rôle
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Cornée | Première surface transparente : elle réfracte fortement la lumière |
| Cristallin | Lentille déformable : elle réalise la mise au point |
| Pupille et iris | Diaphragme : la pupille règle la quantité de lumière reçue |
| Rétine | Surface sensible portant les cellules visuelles, où se forme l'image |
| Nerf optique | Transmet l'information visuelle au cerveau |
Définition — Sur la rétine se forme une image réelle et renversée, que le cerveau redresse. L'accommodation est la modification de la courbure du cristallin : plus bombé pour voir de près, plus plat pour voir de loin. La persistance rétinienne conserve une impression lumineuse environ un dixième de seconde, ce qui explique la continuité apparente du cinéma.
Les deux défauts de la vision
| Défaut | Cause et image | Correction |
|---|---|---|
| Myopie | Œil trop long ou cristallin trop convergent : l'image se forme avant la rétine, on voit flou de loin | Lentille divergente (bords épais) |
| Hypermétropie | Œil trop court ou cristallin pas assez convergent : l'image se forme après la rétine, on voit flou de près | Lentille convergente (bords minces) |
💡 Astuce pour ne pas se tromper : la lentille de correction doit faire l'inverse du défaut. Œil trop convergent (myope) : on ajoute une lentille divergente. Œil pas assez convergent (hypermétrope) : on ajoute une lentille convergente.
🎯 Un œil myope se corrige avec :
Bonne réponse : B. Chez le myope, l'image se forme avant la rétine : une lentille divergente écarte les rayons et repousse la formation de l'image sur la rétine.
7. Les couleurs
Définition — En synthèse additive, on superpose des lumières : les couleurs primaires sont le rouge, le vert et le bleu. Rouge et vert donnent le jaune, vert et bleu donnent le cyan, bleu et rouge donnent le magenta, et les trois ensemble donnent le blanc. C'est le principe des écrans et des projecteurs.
Définition — En synthèse soustractive, on mélange des pigments : les couleurs primaires sont le cyan, le magenta et le jaune. Un pigment absorbe certaines couleurs et renvoie les autres. Plus on mélange de pigments, plus on absorbe de lumière, et plus on tend vers le noir : c'est le principe de l'imprimerie et de la peinture.
Couleur observée d'un objet
| Situation | Explication |
|---|---|
| Objet rouge sous lumière blanche | Il réfléchit le rouge et absorbe les autres couleurs |
| Objet rouge dans l'obscurité | Aucune lumière reçue : il paraît noir |
| Objet blanc | Il réfléchit toutes les couleurs |
| Objet noir | Il absorbe toutes les couleurs |
| Feuille verte sous lumière bleue | Il n'y a pas de vert à renvoyer : la feuille paraît noire |
🎯 Les couleurs primaires de la synthèse additive sont :
Bonne réponse : B. En lumière, les primaires sont le rouge, le vert et le bleu ; leur superposition donne le blanc. Le cyan, le magenta et le jaune sont les primaires des pigments.
8. Exemples marocains et applications
- Le mirage sur une route chaude ou dans le sable (région de Merzouga, Tafilalet) : l'air au contact du sol, très chaud, a un indice plus faible ; les rayons venus du ciel se courbent et le cerveau interprète l'image comme une flaque d'eau.
- L'arc-en-ciel après une averse, sur la côte atlantique ou devant l'Atlas : réfraction, réflexion interne et dispersion dans les gouttes de pluie.
- Le ciel bleu et les couchers de soleil rouges : les molécules de l'air diffusent davantage les courtes longueurs d'onde (bleu). Au coucher, la lumière traverse une plus grande épaisseur d'atmosphère et le bleu est diffusé latéralement.
- Les lunettes correctrices, la loupe du bijoutier et de l'horloger, la fibre optique d'internet, l'endoscopie à l'hôpital : quatre applications directes des lentilles et de la réflexion totale.
9. Méthode et points de contrôle
- Identifier le phénomène : propagation, réflexion, réfraction, dispersion, lentille, œil ou couleur.
- Écrire la loi utilisée : égalité des angles pour la réflexion ; loi de Snell-Descartes pour la réfraction ; inverse de la distance focale pour la vergence.
- Tracer la normale avant de mesurer tout angle : les angles se comptent toujours par rapport à elle, jamais par rapport à la surface.
- Convertir les longueurs en mètres avant de calculer une vergence : c'est l'erreur la plus fréquente.
- Réponds à toutes les questions : une case vide ne rapporte rien, une erreur ne retire rien.
Points de contrôle
- Je sais dire pourquoi un bâton paraît cassé dans l'eau et pourquoi le ciel est bleu.
- Je sais construire l'image d'un objet par une lentille convergente avec les trois rayons particuliers.
- Je sais expliquer et corriger la myopie et l'hypermétropie.
10. Glossaire bilingue
Termes d'optique à maîtriser
| Terme | Définition |
|---|---|
| Source primaire | Corps qui émet sa propre lumière |
| Source secondaire | Corps qui renvoie la lumière reçue |
| Normale | Droite perpendiculaire à la surface de séparation |
| Réflexion | Retour de la lumière dans son milieu d'origine, avec égalité des angles |
| Image virtuelle | Image non recueillable sur un écran |
| Image réelle | Image recueillable sur un écran |
| Indice de réfraction | Rapport entre la vitesse dans le vide et celle dans le milieu, sans unité |
| Réfraction | Changement de direction au changement de milieu |
| Angle limite | Angle d'incidence au-delà duquel la réflexion devient totale |
| Dispersion | Séparation des couleurs de la lumière blanche |
| Lentille convergente | Lentille à bords minces qui fait converger les rayons parallèles |
| Foyer image | Point où convergent les rayons parallèles à l'axe |
| Distance focale | Distance entre le centre optique et le foyer image |
| Vergence | Inverse de la distance focale en mètres, en dioptries |
| Accommodation | Variation de la courbure du cristallin pour la mise au point |
| Myopie | L'image se forme avant la rétine : vision floue de loin |
| Hypermétropie | L'image se forme après la rétine : vision floue de près |
| Synthèse additive | Addition de lumières colorées : rouge, vert, bleu |
| Synthèse soustractive | Mélange de pigments qui absorbent la lumière : cyan, magenta, jaune |
11. S'entraîner : quatre questions type concours
🎯 Un rayon arrive sur un miroir plan avec un angle d'incidence de 35 degrés. L'angle de réflexion vaut :
Bonne réponse : B. La loi de la réflexion impose l'égalité de l'angle de réflexion et de l'angle d'incidence, tous deux mesurés par rapport à la normale.
🎯 Quel dispositif utilise la réflexion totale ?
Bonne réponse : B. Dans la fibre optique, la lumière entre dans le cœur avec un angle supérieur à l'angle limite et subit des réflexions totales successives qui la guident.
🎯 Un objet est placé entre le centre optique et le foyer d'une lentille convergente. L'image est :
Bonne réponse : B. C'est la position d'utilisation de la loupe : l'image est virtuelle, droite et agrandie, et l'œil l'observe directement.
🎯 Un objet vert éclairé par une lumière rouge paraît :
Bonne réponse : C. Un objet vert ne renvoie que le vert : sous une lumière rouge, il n'y a pas de vert à réfléchir, l'objet paraît donc noir.
12. À retenir (fiche finale)
À retenir — Propagation : rectiligne dans un milieu homogène ; vitesse dans le vide environ 300 000 km/s. Le son a besoin de matière, pas la lumière.
À retenir — Réflexion : angle réfléchi = angle incident ; miroir plan → image virtuelle, droite, de même taille, symétrique.
À retenir — Réfraction : la loi de Snell-Descartes relie les indices et les sinus des angles ; indices usuels : air 1,00, eau 1,33, verre 1,5 ; au-delà de l'angle limite, réflexion totale (eau-air environ 49 degrés).
À retenir — Lentille convergente : les trois rayons particuliers construisent l'image ; vergence = inverse de la distance focale en mètres, en dioptries.
À retenir — Œil : cornée, cristallin, rétine ; myopie corrigée par une lentille divergente, hypermétropie par une lentille convergente.
À retenir — Couleurs : synthèse additive en lumière (rouge, vert, bleu) ; synthèse soustractive en pigments (cyan, magenta, jaune) ; un objet paraît de la couleur qu'il réfléchit.