Les illusions d’optique
Ce que l’on voit correspond-il toujours à la
réalité ?
1.LES ILLUSIONS LIEES A LA PROPAGATION DE LA LUMIERE
1.1 Rappel
La lumière se propage en ligne
droite si :
* Elle ne change pas de
milieu
* Si le milieu est homogène
Notre cerveau est habitué à cette
propriété et interprète ce que l’on voit d’après la propagation
rectiligne …
1.2 Quand la lumière se réfléchit…
a
)Réflexion
Expérience 1 :
Eclairer un miroir avec un rayon lumineux….
La lumière se réfléchit, elle
change de direction
Les
rayons lumineux incident et réfléchi appartiennent au
même milieu .
Remarque :
L’angle de réflexion est égal
à l’angle d’incidence
(i
= r)
C’est comme si la lumière « rebondissait sur
l’obstacle »
b
) Illusion
Expérience 2 :
expérience des deux bougies
On utilise deux
bougies identiques, on allume la première bougie A et on la place
devant une
vitre verticale.
On place l’autre
bougie A’ éteinte, symétriquement à la bougie A.
Que peut-on alors
constater ?
Quelque
soit la position de notre oeil, nous voyons aussi une flamme au-dessus
de la
bougie non-allumée 
Explication :
La lumière
parcourt réellement le trajet A
I O.
Mais le cerveau
est habitué à ce que la lumière se déplace en ligne droite;
donc on a
l'impression que la lumière parcourt le trajet A' IO....
On
« voit »
donc la bougie A' allumée...
1.3 Quand la lumière pénètre dans un autre milieu transparent
a ) Réfraction
Expérience 3 :
On envoie un faisceau laser dans
une cuve remplie d'eau .
On observe que la lumière change
de direction. ( cela est dû au fait
que la lumière se propage plus vite
dans l'air que dans l'eau...)
Réfraction: Changement de
direction de propagation de la lumière quand elle passe d'un milieu
transparent
à un autre milieu transparent...
Et que se passe-t-il
quand la lumière passe de l'eau à l'air?
Quand l'angle d'incidence est trop grand ( rayon vert sur la figure
ci-dessous), la lumière se réfléchit sur
la surface de l'eau ; tout se passe comme si elle était prisonnière de
l'eau...Ce phénomène s'appelle « réflexion totale ».
http://www.iscience.ca/fibreopt/ateliers/reflexion/reflexiontotaleinterne.php
b
) Illusions liées à la réfraction
Expérience 4 :
Voir
une pièce de monnaie
Une pièce de
monnaie est posée au fond d’une tasse. Eloignez- vous de la table de
façon à ce
que la pièce de monnaie cesse d’être juste visible.
Remplissez alors
la tasse d’eau.
Qu’observez-vous ?
Quand on verse de l'eau, la pièce de monnaie devient visible...
Explication :
Quand
il n'y a pas
d'eau...le rayon lumineux AB est arrêté par le bord de la
tasse ; il
ne
pénètre pas dans l'oeil...la pièce est invisible
Quand
on verse de
l'eau, le rayon est dévié et suit le trajet AIB qui pénètre
dans l'oeil
(ainsi
que d'autre rayons..): on voit la pièce...
http://www.iscience.ca/fibreopt/ateliers/reflexion/reflexiontotaleinterne.php
Expérience 5 :
Le
bâton brisé
En pénetrant dans l'eau, les lignes
droites paraissent brisées...
Mirage
Rappel : on voit un objet parce que la lumière venant de cet objet
arrive dans notre œil.
Quand il fait très chaud, l'air est très chaud près du sol, et se
refroidit quand on s'éloigne du sol...Le milieu "air" n'est plus homogène.
La lumière subit une succession de réfraction, voire même une réflexion totale
( voir expérience 3 ).
L'observateur a l'impression que la lumière vient selon le rayon rouge...il voit
le palmier inversé. Il voit aussi le reflet du ciel bleu, qu'il prend
pour de l'eau....
2.LES ILLUSIONS LIEES AU TEMPS
2.1 Mise en évidence de la persistance rétinienne
Expérience 8:
Un stroboscope est une source lumineuse qui émet de brefs
éclairs
à des intervalles de temps réguliers.
Observer la lumière
stroboscopique pendant une augmentation progressive de la fréquence des
éclairs.
Au delà d'une certaine fréquence, l'œil
ne perçoit plus les éclairs et a l'impression que l'éclairage
est continu.
Expérience 9 :
TITI dans la cage animation
On dispose d’un disque illustré
différemment sur les 2 faces.
Observation :
Quand on tourne rapidement le disque, on « voit »
l’oiseau dans la
cage ; tout se passe comme si les deux images étaient superposées
2.2 La persistance rétinienne
L’œil garde une image « en mémoire » pendant
environ 0,1 s.
C’est la persistance
rétinienne.
2.3 Applications
a) Au
cinéma :
Au cinéma
Un film est formé d’images fixes. Sur les bords du film, il y
a des perforations.
On projette le film, à raison
de
24 images par seconde.
Devant le film, un obturateur
tourne en continu.
Quand l'oburateur empêche la lumière de passer, l'écran est noir,
le film avance d'une image. Quand l'obturateur laisse la lumière
passer, l'image est projetée....on a ainsi une succession rapide
d'images et de noir. Le noir n’est pas perçu car trop bref
et les images semblent
s’enchaîner dans la continuité.
animations : 1 2
A la TV : l’écran est balayé 50 fois par seconde
b) Illusions associées : mouvement apparent
On éclaire avec un stroboscope un disque tournant sur lequel on a peint
un rayon.
1er
cas : Lorsque,
entre deux éclairs, le disque fait un tour complet
(fréquence d’éclairement = fréquence de rotation du disque)
| 1er éclair |
positions
intermédiaires non observées
(dans le
noir) |
2ème éclair |
|
 |
 |
On voit : 
On observe : Immobilité
apparente
2nd cas :
Lorsque
entre deux éclairs le disque fait un peu plus
d’un tour
complet (Fréquence d’éclairement
légèrement inférieure à la fréquence de rotation du disque)
| 1er éclair |
positions
intermédiaires non observées
(dans le
noir) |
2ème éclair |
|
|
|
On voit : 
On observe : mouvement ralenti
dans le même sens
que le mouvement réel
3ème cas
: Lorsque entre deux
éclairs le disque fait un peu moins d’un tour
complet (Fréquence d’éclairement
légèrement supérieure à la
fréquence de rotation du disque)
| 1er éclair |
positions
intermédiaires non observées
(dans le
noir) |
2ème éclair |
|
|
|
On voit : 
On observe : mouvement
ralenti
inverse, dans le sens opposé au
mouvement
réel
Application :
pourquoi
parfois a-t-on l’impression
lorsqu’on regarde les roues d’un véhicule à
la télévision, qu’elles tournent
en sens
inverse ?
La télévision envoie 25 images
par seconde. Une image est donc
envoyée toutes les 1/25
seconde.( = 0,04s)
Entre deux images consécutives,
il
s’écoule 0,04s
seconde, durée inférieure
à la durée de la
persistance
rétinienne ( 1/10 s= 0,1s). Pendant ce temps là, les roues n’ont pas le
temps
de
faire un tour
complet.
Lorsque les images vont se superposer, on va
avoir
l’impression que les roues tournent en sens inverse.
pour en savoir plus:
* sur les mirages : 1
2
* sur les mouvements : persistence rétinienne
* sur le cinéma obturateur