L'oeil et la vision des objets, les films polarisants. Concours Capes 2014

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Expliquer qu'un oeil normal permet à la fois la vision des objets proches et lointains.
Un objet n'est vu nettement par l'œil que si son image se forme sur la rétine située à une distance  fixe du cristallin.
L'oeil observe sans fatigue des objets situés à l'infini ( à une distance supérieure à quelques dizaines de mètres). L'image nette se forme sur la rétine, le cristallin jouant le rôle d'une lentille convergente. L'iris permet de contrôler la taille de la pupille : il joue le rôle d'un diaphragme.
Par contraction du muscle ciliaire la courbure du cristallin peut se modifier et la vergence de cette lentille varier.
Lorsque l'oeil regarde un objet proche, le cristallin se déforme afin qu'une l'image nette se forme toujours sur la rétine. On dit que l'oeil accommode ; l'oeil se fatigue.
Le cristallin peut être modélisé par une lentille épaisse ou par une lentille mince. Dans le cas où,  il est modélisé par une lentille épaisse, la vergence Vcr du cristallin s'exprime :

R1 = 10 mm, R2 = -6,0 mm, respectivement rayons de courbure de la face antérieure et postérieure du cristallin ;
nc =1,420 indice du cristallin ; e =4,0 mm son épaisseur au repos ; nh=1,336 indice des humeurs aqueuse et vitrée.
Calculer la vergence du cristallin au repos.
Vcr =(1,420-1,336)(1/0,010+1/0,0060) -0,004
(1,420-1,336)2/ (1,420*0,010*0,0060)~22,4 -0,33 ~22,1 dioptries.
En déduire que modéliser le cristallin par une lentille mince peut se justifier.
Le second terme de l'expression a pour valeur 0,33 soit 0,33*100 / 22,4 =1,5 % la valeur du premier terme.
En classe de lycée ce second terme est négligeable devant le premier terme. L'oeil peut alors être modélisé par une lentille mince.

Déterminer la vergence du système cornée-cristallin en considérant les deux systèmes ( cornée et cristallin) comme des lentilles minces accolées.
Vergence fixe de la cornée Vcor = 42 dioptries.
Ajouter les deux vergences :
Vcor +Vcr =42 +22,1 = 64,1 dioptries.
Cet oeil au repos peut-il voir un objet situé à l'infini ?
Distance centre du cristallin-rétine d = 17 mm.
1/64,1 = 0,0156 = 15,6 mm. L'image se forme en avant de la rétine. L'image d'un objet à l'infini n'est pas nette.



Polarisation de la lumière.
Définir les différents types de lumière polarisée et les illustrer par des shémas.
 La polarisation de la lumière décrit les variations du champ électrique.
Ce champ peut osciller dans une seule direction ( polarisation rectiligne : l'extrémité du vecteur E décrit un segment ) ou bien tourner autour de l'axe de propagation de l'onde électromagnétique ( polarisation circulaire ou élliptique : l'extémité du vecteur E décrit un cercle ou une éllipse ). Le sens de rotation peut être droite ou gauche.

Proposer une expérience permettant de montrer si une lumière est polarisée ou non et indiquer les observations faites selon le type de polarisation.
Placer sur le faisceau lumineux à analyser un analyseur simpon lui fait faire une rotation complète :
- on observe deux extinctions : la lumière est polarisée rectilignement.
- on observe deux minima : la lumière est polarisée elliptiquement.
- on observe aucune variation d'intensité :  la lumière n'est pas polarisée ou bien la polarisation est circulaire.
On intercale lors une lame quart d'onde : si on observe des extinctions la polariation est circulaire. Si aucun minimum n'est observé, la lumière est non polarisée.
Indiquer deux méthodes d'obtention de lumière polarisée à partir de la lumière naturelle.
Sous l'incidence de Brewster, un verre ne réfléchit que la lumière pour laquelle le champ électrique possède une direction particulière.
Le spath d'Islande donne deux rayons réfractés polarisés à angle droit pour un même rayon incident. Le prisme de Nicol permet d'éliminer l'un des rayons.
Utiliser des polaroïds ( feuilles plastiques dans lesquelles sont noyés de molécules organiques toutes orientées dans le même sens )

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Les films polarisants.
Ces films sont constitués d'une matrice polymère transparente dans laquelle sont insérées des particules conductrices en forme de bâtonnets. L'ensemble est étiré de façon à aligner les chaînes de polymères et les particules conductrices selon une direction privilégiée.
En 1852, un chercheur découvre par hasard que les cristaux d'iodoquinine obtenus par précipitation d'une solution de quinine et d'eau iodée, possèdent des propriétés optiques intéressantes. Ils cristallisent sous forme d'aiguilles. Si deux de ces aiguilles sont superposées, on observe que la lumière transmise à travers cet empilement dépend de l'angle entre les axes de ces aiguilles ; cet empilement se comporte donc comme un ensemble polariseur-analyseur. On interprète l'anisotropie de ces cristaux par l'alignement d'ion triiodure I3- conducteurs entre les molécules de quinine.
Comment était obtenue la quinine en 1852 ?
La quinine était extraite de l'écorce d'un arbre le quiquina rouge ou jaune.
Proposer une formule de Lewis pour l'ion triiodure et justifier sa forme en bâtonnet.

L'ion I3- est du type AX2E3 et a une structure linéaire.
La substance reste une curiosité de laboratoire jusqu'en 1929, les cristaux étant trop petits pour être utilisés en optique. A cette date Edwin H a l'idée de déposer les cristaux sur une feuille de nitrocellulose, substance étudiée entre temps pour ses propriétés explosives. Il obtient la " feuille J" qui possède les propriétés requises pour former un film polarisant.
En 1938, une amélioratin est proposée, en remplaçant la nitrocellulose par l'alcool polyvinylique. Celui-ci est préparé à partir de polyacétate de vinyle par une succession de réactions. Le polyacétate de vinyle est lui même obtenu  par polymérisation de l'acétate de vinyle H2C=CH-O-CO-CH3. Une des premières réactions de polymérisation mise en oeuvre est décrite ci-dessous :
L'acétate de vinyle est mis en flacons de verre de 2 litres et exposé au soleil sur des étagères. Après 4 jours
le polymère est formé. La masse se dilate et les flacons se cassent d'eux mêmes. ( site de la société chimique de France).
Quel type de polymérisation évoque le protocole ? Représenter l'unité de répétition du polyacétate de vinyle.
Polymérisation radicalaire.

Il faut ensuite obtenir l'alcool polyvinylique d'unité de répétition -(CH2-CHOH)-à  partir du polyacétate de vinyle.
Proposer une méthode classique pour réaliser la transformation. Ecrire l'équation de la réaction ainsi mise en oeuvre sur une unité de répétition du polyacétate de vinyle.
Saponification ou hydrolyse basique d'un ester.

Le polyacétate de vinyle étant soluble dans les alcools, la méthode choisie en 1938 consiste à le fair réagir dans le méthanol en présence de méthanolate de sodium ( Na+ +CH3O-). C'est une réaction de transestérification, nommée ici alcoolyse.
Identifier le sous produit ontenu lors de cette alcoolyse.
L'acétate de méthyle.
La transformation du polyacétate de vinyle en alcool polyvinylique peut être contrôlée de façon à ne modifier qu'une partie des groupes -O-CO-CH3 afin de conférer au produit les propriétés physiques souhaitées ( viscosité, solubilité...). On obtient alors un copolymère de l'acétate de vinyle et de l'alcool vinylique.
Nommer et illustrer les trois types de copolymères que l'on peut obtenir avec deux unités de répétition notées A et B. Quel type va-t-on obtenir ici ? Justifier.
-A-B-A-B- : copolymère alterné ; - A-A-A-B-B-B- : copolymère à blocs ; -B-B-A-B-A-A-A-B-B-B- : copoplymères statistique ( répartition au hasard ).
On obtient un copolymère statistique.
Expliquer pourquoi l'alcool polyvinylique ne peut pas être obtenu par polymérisation de l'alcool vinylique.
L'alcool vinylique n'est pas isolable, il s'isomérise en acétaldehyde.





Utilisation de films polarisants pour le cinéma en relief.
Justifier le fait que le fonctionnement de ce projecteur amène chaque image à demeurer 7 ms à l'écran.
Le serveur envoie vers le projecteur 48 images par seconde. Le projecteur divise chaque image originelle en trois.
48*3 = 144 ; durée d'affichage d'une image : 1/144 = 6,9 10-3 ~7 10-3 s = 7 ms.
Expliquer pourquoi le spectateur muni de lunettes polarisantes voit effectivement le film en relief.
Les lunettes sont équipés de polariseurs circulaires droit pour l'oeil droit et gauche pour l'autre oeil. Les images sont polarisées différemment à la sortie du projecteur.
A chaque image, l'un des deux verre s'obscurçit pour que seul l'autre oeil perçoive l'image correspondante.
La persistance rétinienne rend le clignotement imperceptible.
Les images captées sur les rétines de l'oeil gauche et de l'oeil droit sont légèrement différentes. Le cerveau se charge de recréer le relief.
Citer un défaut lié à l'utilisation de lumière polarisée rectilignement dans ce cas.
Dès que l'on tourne la tête l'effet du relief est perdu.





  

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