Apparences de la perception visuelle.

Le cerveau joue un rôle dans l’interprétation de l’information reçue. Il est soumis à des illusions géométriques ou liées au temps.

I. Les illusions géométriques.

A. Dues à la réflexion.

Expérience 1 : expérience des deux bougies

On utilise deux bougies identiques, on allume la première bougie S et on la place devant une vitre verticale. Placer l’autre bougie S’ éteinte, de manière à la superposer à l’image de la bougie S.

Que peut-on alors constater ?

La bougie éteinte semble être surmontée d’une flamme.

Laquelle des deux bougies est l’objet lumineux ?

Pourquoi la bougie que l’on voit à travers la vitre semble-t-elle allumée ?

Si l’œil voit une flamme sur la bougie éteinte derrière la vitre c’est parce que de la lumière parvient à cette bougie depuis la flamme de celle allumée.

Expérience 2 : utilisation du montage comprenant une source lumineuse avec diaphragme à fente, disque gradué et miroir plan. Ce dernier sera placé sur la graduation 0 du disque.

Le faisceau lumineux frappe le miroir, que constate-t-on ?

Le miroir renvoie la lumière du faisceau qu’il reçoit dans une direction particulière : il réfléchit la lumière.

Quel lien existe-t-il entre angle d’incidence et angle de réflexion ?

Les rayons incident et réfléchis sont situés dans un même plan et les angles d’incidence et de réflexion sont égaux.

S et S’ étant, par exemple, les flammes des deux bougies.

B. Dues à la réfraction.

Expérience 1 : on place une pièce au fond d’un récipient opaque. En maintenant ce récipient vertical, on l’éloigne jusqu’à ce que la pièce ne soit plus visible. Sans modifier la position des yeux, remplir progressivement le récipient d’eau.

Qu’observe-t-on ?

A partir d’un niveau d’eau donné, la pièce redevient visible.

Expérience 2 : Placer une paille dans un verre d’eau. Que peut-on observer ?

La paille plongeant dans l’eau paraît « cassée » au niveau de la surface de l’eau.

Expérience 3 : On utilise le même dispositif que pour le phénomène de réflexion mais on remplace le miroir plan par un demi-cylindre en verre organique.

• Qu’observe-t-on quand un rayon lumineux frappe la surface plane du demi-cylindre ?

Il y a alors déviation du rayon lumineux, le rayon traversant le demi-cylindre est alors appelé rayon réfracté.

La surface de séparation des deux milieux transparents (air et verre) est appelée un dioptre. Chaque milieu transparent aussi appelé milieu réfringent est caractérisé par un indice de réfraction n.

i₁ : angle d’incidence et i₂ angle de réfraction.

• Pour différents angles d’incidence, mesurer la valeur correspondante de l’angle réfracté :

L’angle de réfraction est ici toujours plus faible que l’angle d’incidence. Le rayon réfracté se rapproche de la normale.

Quand le rayon incident est confondu avec la normale, celui-ci n’est pas dévié : le rayon réfracté garde alors la même direction que le rayon incident.

• Inverser maintenant la position du demi-cylindre pour faire arriver le rayon lumineux incident sur la surface cylindrique. Que peut-on dire ici du rayon réfracté ?

Le rayon réfracté s’éloigne maintenant de la normale.

• Augmenter la valeur de l’angle d’incidence. Que peut-on observer si sa valeur devient importante ?

Il n’y a plus alors de rayon réfracté mais on peut observer uniquement un rayon réfléchi : c’est le phénomène de réflexion totale.

Conclusion :

• quand un rayon lumineux passe d’un milieu d’indice de réfraction petit à un milieu d’indice plus élevé (exemple passage air-verre), le rayon réfracté se rapproche alors de la normale.

• Quand un rayon lumineux passe d’un milieu d’indice de réfraction élevé à un milieu d’indice plus petit (exemple passage verre-air), le rayon réfracté s’éloigne alors de la normale. Dans ce cas, on peut aussi observer un phénomène de réflexion totale si l’angle d’incidence est important.

Ce phénomène de réfraction peut expliquer pourquoi un objet redevient visible quand on ajoute de l’eau (expérience 1) et pourquoi une paille semble « brisée » à la surface de séparation eau-air (expérience 2).

Autres exemples ou applications :

• Les mirages : L’indice de réfraction de l’air dépend de sa température et l’été au-dessus d’un sol surchauffé, l’indice varie si vite que la lumière ne peut donc plus se propager de manière rectiligne : un rayon lumineux provenant du ciel se courbe au point de remonter comme s’il provenait du sol et notre cerveau conditionné attribue ce phénomène à la présence d’eau.

• La fibre optique utilisée dans les communications, la chirurgie, etc.

II. Les illusions liées à la succession temporelle des images.

Expérience 1 : Observation d’un stroboscope

Il envoie des brefs éclairs lumineux régulièrement. Quand la fréquence (nombre d’éclairs par seconde) est faible, l’œil est capable de les distinguer ; par contre, si la fréquence devient trop grande, on a l’impression d’une lumière continue. Ceci est dû au phénomène de persistance des impressions lumineuses sur la rétine (qui garde en mémoire la sensation lumineuse pendant environ 0,1s). on parle de persistance rétinienne.

Expérience 2 : stroboscopie d’un mouvement circulaire uniforme (à vitesse constante). Utilisation d’une pastille (repère) sur un disque.

Cas 1 : si entre deux éclairs, la pastille a le temps d’effectuer exactement 1, 2 ou …un nombre entier de tours, celle-ci paraîtra immobile.

Cas 2 : si entre deux éclairs, la pastille a le temps d’effectuer un peu plus que 1, 2, ou …. un nombre entier de tours, celle-ci semblera avoir un mouvement ralenti.

Principe du cinéma :

Une bande de film est constitué d’une suite d’images photographiques des sujets en mouvement, prises tous les 1/24 s.

Comment est projeté un film ?

Chaque image reste sur l’écran 1/48 s et, entre deux images, est intercalée une plage d’obscurité qui dure aussi 1/48 s.

Comment s’explique la continuité des mouvements lors de la projection d’un film ?

Entre deux images consécutives, il s’écoule 1/24 s, durée inférieure à la durée de persistance des impressions rétiniennes, l’œil du spectateur juxtapose les images et le mouvement lui paraît continu.

Objectifs :

• Le cerveau joue un rôle dans l’interprétation de l’information lumineuse reçue. Il est soumis à des illusions géométriques ou liées au temps. Le dioptre et la réflexion sont choisis pour illustrer les illusions géométriques ; les expériences de stroboscopie les illusions liées à la succession temporelle des images.

• Dioptre, surface de séparation de deux milieux réfringents.

• Réflexion. Condition de transmission de la lumière dans un autre milieu réfringent. Réflexion totale.

• Principe d’observation d’un mouvement apparent ou d’immobilité apparente : ralenti, projection cinématographique.