Niveau : Première L et ES Thème : Représentation visuelle Sous-thème : De l’œil au cerveau

Introduction historique au thème de la vision

Notions et Contenus :

Conditions de visibilité d’un objet. Approche historique de la conception de la vision.

Durée du thème: 8 h. Place de la séance dans la séquence : Séance 1 (1h1/2): Introduction historique au

thème de la vision.

Séance 2 : Séance 3 : Séance 4 (1h1/2): Les pigments et les colorants au cours du temps Séance 5 (1h1/2) : TP « En voir de toutes les couleurs » Séance 6 :

Prérequis

Objectifs

Objectifs

Spécifiques

Objectif transversal

• Présenter les connaissances scientifiques comme une construction humaine progressive.

• Comprendre que l’activité scientifique est le lieu de controverses.

Compétences

attendues

Connaissances

Capacités disciplinaires

Capacités expérimentales

Capacités transversales

• Savoir que pour être vu, un objet doit envoyer de la lumière dans l’œil.

• Maîtriser que sauf accident, la lumière se propage en ligne droite.

• Aucune

• Porter un regard critique sur les conceptions de la vision.

• S’informer : confronter l’information extraite à ses connaissances.

Obstacles prévisibles

• L’image peut sembler, chez certains élèves, exister indépendamment de la lumière.

• La conjugaison optique objet-image est délicate : le regroupement de « rayons » issus du point objet et convergeant au point image n’est pas aisé pour tous.

Réinvestissement

I) Approche historique des conceptions de la vision.

1) Une rapide présentation : C’est au début du XVIIème siècle que l’étude de la lumière va dépasser l’étude des chemins suivis par les rayons lumineux. La physique va s’intéresser à d’autres questions que celle de l’optique « purement géométrique ». Dans l’Antiquité, on s’intéressait à la vision et non pas à la lumière. Pour Démocrite (460-370 av. J.C.), la vision résulte d’ « un quelque chose » qui est émis par les corps lumineux et influence l’œil. Pour Euclide (né vers -325, mort vers -265 à Alexandrie), la vision est provoquée par un « flux visuel » sortant de l’œil et allant vers l’objet. Platon (428-348 av. J.C) propose une explication combinant les deux précédentes où la vision résulte de la rencontre d’un « quelque chose » émis par l’œil et par l’objet regardé. Aristote (384-322 av J.C.) considère que la vision naît du mouvement excité par le corps sensible d’un milieu intermédiaire entre l’objet et l’œil. Plus tard, Lucrèce (98-55 av J.C.) explique la vision par le fait qu’un ensemble de rayons visuels est émis par l’œil. Bref, deux théories coexistent : celle d’une émission depuis l’œil (théorie de l’extramission) et celle de la réception dans l’œil de quelque chose provenant de l’objet (théorie de l’intromission). Galien (131-201), célèbre médecin grec de l’Antiquité après Hippocrate, met en évidence, en disséquant de nombreux animaux, le rôle du nerf optique dans la vision, au IIème siècle ap. J.C. Il rejoint les idées platoniciennes en ce qu’il considère qu’un fluide intérieur est communiqué du cerveau à l’œil par le nerf optique, qui sensibilise l’œil et le rend apte à être impressionnée par le fluide externe en provenance de l’objet. Le travail de Ptolémée aux alentours de 150 ap. J.C. constitue une référence de tout ce qui, dans la physique philosophique de l’époque, pouvait expliquer la sensation visuelle. On y trouve les sensations de couleur et de lumière, la considération des maxima et minima sensibles. Les Grecs ont su représenter géométriquement la vision ; ils ont ainsi découvert la loi de la réflexion, selon laquelle l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion ; ils ont mis en évidence les phénomènes de réfraction, et ont même, pour une série de milieux, donné une valeur approximative, sous forme de tables, de la déviation du rayon réfracté. Au Xème siècle, Ibn al-Haythan, savant arabe, connu sous le nom latin d’Alhazen (965-1039) rejette de façon radicale les théories extramissionistes. Il introduira une autre interprétation géométrique de la vision, fondée sur la réception dans l’œil par le cristallin exactement, de rayons lumineux. Il est ainsi obligé, quand il fait entrer dans l’œil des rayons lumineux, de définir les conditions de formation d’une sorte d’image de l’objet se formant sur le cristallin. Il s’interrogera le premier sur la nature de la lumière en tant qu’entité physique. On se posera bien plus tard à partir du XVIIème siècle une autre question sur la nature de la lumière : est-ce un déplacement de matière ou bien un mouvement dans une certaine matière ? Newton sera un adepte de l’hypothèse corpusculaire tandis qu’Huygens préfère l’hypothèse ondulatoire. Des expériences nouvelles au XVIIème siècle donnent lieu à des descriptions de phénomènes nouveaux comme par exemple, la diffraction (par Grimaldi, jésuite italien en 1665) et de dispersion de la lumière par le prisme (par Newton en 1666 avec le détail de son interprétation en 1704 dans son ouvrage Opticks).

2) Quelques acteurs du XVIIème

siècle :

Galilée (1564-1642) : À partir de 1609, il commence à observer le ciel avec une lunette qui comprend un objectif convergent (une simple lentille) fixé dans un tube cylindrique et un oculaire divergent (une autre lentille) fixé lui aussi dans un second tube pouvant coulisser dans le premier. Le grossissement était à l’origine de 3. S’il a très peu travaillé sur la lumière sauf bien entendu dans le domaine de l’astronomie, il est le premier à avoir tenté d’évaluer le temps mis par la lumière pour faire un aller-retour entre les sommets de deux collines voisines, ceci avec l’aide d’un assistant et deux lanternes à volet dont la lumière peut être découverte brusquement. Le résultat est peu probant puisque la mesure est du même ordre de grandeur que le temps de réaction de l’assistant qui devait découvrir la lanterne dès qu’il apercevait la lumière de la lanterne de Galilée. Kepler (1571-1630) : Il a jeté les bases de l’optique géométrique en accordant une grande place au rayon lumineux, outil important pour interpréter la vision et le fonctionnement des lentilles convergentes et divergentes. Il pose clairement le principe de propagation rectiligne de la lumière de la source vers l’objet (supposée cependant se faire avec une vitesse infinie). Kepler Interprète la vision selon le modèle de la chambre noire. Il ouvre ainsi une voie à une nouvelle interprétation géométrique de la vision. L’œil est assimilé à une chambre noire (avec une lentille) dont l’iris serait le diaphragme, le cristallin le dioptre convergent, et la rétine, l’écran où se forme une image réelle inversée. Il conclut que la rétine est le véritable récepteur sensoriel. L’œil est bien pour lui un système optique régi par les seules lois physiques de la propagation de la lumière.

Descartes (1596-1650) : Si pour Descartes, l’œil réagit bien à la quantité de lumière qui le pénètre en assimilant d’ailleurs les effets d’une lumière trop forte à ceux de la douleur, il va s’intéresser à l’interprétation géométrique de la vision et non à la nature de la lumière. Il raisonne d’abord avec des analogies mécaniques (le mouvement de la lumière est assimilé à celui d’une balle). Au livre second de la Dioptrique, il développe les lois de la réfraction et conclut son chapitre en proposant une analogie entre la réfraction observée à travers une sphère transparente et le fonctionnement de l’œil. Dans un chapitre consacré à l’anatomie de l’œil, Descartes reprend l’idée que la forme de la pupille dépend de la quantité de lumière qui pénètre l’œil. Chez lui donc, la quantité de lumière détermine la réponse de l’organe de la sensation et ainsi la perception visuelle. La notion de quantité de lumière fonctionne effectivement bien même si l’explication mécaniste fournie diffère de la justification énergétique d’aujourd’hui. Il faudra retenir aussi qu’à partir de Descartes, la vision ne se justifie plus par le cheminement jusqu’au cerveau d’une image semblable à l’objet. Par exemple la théorie de la couleur est chez lui une réponse à un certain type de mouvement de la lumière (justifié certes mécaniquement) mais extérieur à l’objet. Newton (1642-1727) : Newton note à partir de 1664 dans des carnets ses lectures, ses expériences et ses idées. Il est intrigué lui aussi comme tout le monde par les couleurs de l’arc-en-ciel. Il sera le premier à fournir une explication correcte (nous en reparlerons dans le thème couleurs et arts). Il connaît l’expérience du prisme de verre et des couleurs. Ce qui intéressant à noter ici, c’est qu’il cherche comme Descartes des raisons mécaniques (ralentissement par le verre) à ce phénomène. Nous reviendrons sur Newton dans l’item "couleurs ". Huygens (1629-1695) : Dans son Traité de la lumière écrit en 1678 mais publié en 1690, Huygens considère la lumière comme une onde qui se propage dans l’éther qui remplit l’espace. La lumière dit-il « s’étend progressivement par des ondes sphériques », chaque « petit endroit » d’un corps lumineux (Soleil, chandelle, charbon ardent…) engendrant ces ondes. On retrouve l’analogie aristotélicienne lumière-son. La lumière se propagerait ainsi sous forme d’ondes sphériques centrées sur la source, chaque particule d’éther atteinte par l’onde devient le centre d’une onde secondaire etc. Newton va lui contester l’existence de l’éther d’Huygens qui viendrait perturber la course des planètes. Il considère lui que les rayons lumineux sont des jets de particules animées d’une très grande vitesse. Attention, Newton conteste le pré-modèle de l’éther de Huygens mais Newton admet lui aussi la présence d’un éther qui est chez lui une sorte de milieu universel présent partout dont l’existence sert à justifier aussi bien les interactions gravitationnelles qu’électrostatiques que magnétiques.

3) Quelle(s) philosophie(s) ? La vue, le mécanisme de la vision, la propagation de la lumière ont donné lieu à des réflexions philosophiques. La distanciation entre perception visuelle et objet physique s’approfondit encore au XVIIème siècle. La relativité du rapport humain au monde est source de réflexion. Le sujet n’a plus en lui aucune réplique sensorielle de l’objet. Par exemple, Descartes remarque dans sa Dioptrique que des signes peuvent aussi bien que des images évoquer les choses, et que les divers mouvements des nerfs sont autant de signes permettant à l’âme de distinguer entre elles les propriétés de ces dernières. Pour Descartes, l'âme est une substance indépendante, et seuls les êtres pensants ont une âme. Il y a pour Descartes une grande différence entre l'âme et le corps : l'âme est une substance pensante (res cogitans ou « chose qui pense »), la matière est une substance étendue (res extensa ou « chose étendue »). Si l'âme est distincte du corps, comment expliquer les rapports continuels entre la vie physiologique et la vie psychologique? Comment le physique peut-il agir sur le moral et réciproquement? Bien des hypothèses ont été proposées pour l'expliquer. Les unes sont proprement métaphysiques, les autres plutôt physiologiques. Elles seront étudiées dans le cours de Philosophie de classe Terminale.

Philosophes contemporains de Descartes Bacon (1561-1626) Gassendi (1592-1625) Hobbes (1588-1679) Spinoza (1632-1677) Pascal (1623-1662) Malebranche (1638-1715) Leibniz (1646-1716)

Scientifiques contemporains de Descartes Kepler (1571-1630) Galilée (1564-1642) Torricelli (1608-1647) Harvey (1578-1657) Huygens (1620-1695) Newton (1642-1727)

II) Quelques lectures

Texte 1 : Extraits de l’article de Gérard Simon, « Vision » pp. 982-986 in Lecourt. D, (dir) "Dictionnaire d’histoire et de philosophie des sciences", Collection Quadrige, P.U.F., 2003.

Texte 2 : Extrait du « Discours de la lumière » d’Ibn al-Haytham (Alhazen). Traduction française critique, Revue d’histoire des sciences et de leurs applications, 1968 ; tome 21 n°3 pp. 197-224.

Nécessité de composer mathématiques et physique pour l’étude de la lumière Traiter de l’essence de la lumière appartient aux sciences physiques mais traiter du mode de sa propagation nécessite un recours aux sciences mathématiques en raison des lignes suivant lesquelles les lumières se propagent. De même, l’étude de l’essence du rayon fait partie des sciences physiques tandis que celle de sa forme et de sa figure renvoie aux sciences mathématiques. De la même manière pour les corps transparents où la lumière pénètre, traiter de l’essence de leur transparence revient aux sciences physiques alors que l’étude du mode dont la lumière se propage en eux appartient aux sciences mathématiques. Ainsi, l’étude de la lumière, du rayon et de la transparence doit nécessairement se composer des sciences physiques et des sciences mathématiques. Opinion des philosophes et des géomètres sur la lumière Ceci étant admis, nous pouvons énoncer concernant ces notions une proposition universelle, à savoir que toute notion se trouvant dans un corps physique parmi ces notions qui en constituent l’essence, est appelée forme substantielle-car la substance de tout corps n’est constituée que de toutes les notions qui s’y trouvent et n’en sont guère séparables tant que sa substance ne change pas. C’est ainsi que la lumière de tout corps lumineux par lui-même en est donc une forme substantielle et la lumière accidentelle qui apparaît sur les corps opaques éclairés par d’autres est une forme accidentelle ; telle est l’opinion des philosophes. Mais les géomètres pour leur part considèrent que la lumière émise par un corps lumineux par lui-même forme substantielle dans ce corps – est une chaleur de feu contenue en lui ; ils ont constaté en effet, que si la lumière du Soleil est reflétée par un miroir concave et qu’elle se concentre en un seul point, tout corps combustible se trouvant en ce point prendra feu. Ils se sont aperçus de même que la lumière du Soleil apparaissant dans l’air le chauffe comme elle chaufferait sensiblement tout corps opaque qu’elle éclairerait et sur lequel elle serait fixée pour un temps. Ces conclusions les ont amenés à conclure que la lumière solaire est une chaleur de feu. Ils virent ensuite que toutes les lumières appartiennent au même genre, que leur ensemble est chaleur de feu et qu’elles se différencient en plus fortes et plus faibles : les unes brillent parce qu’elles sont fortes, les autre ne brûlent pas à cause de leur faiblesse...

Définition du « rayon » et opinion des géomètres La lumière qui se propage dans les corps transparents suivant des trajectoires rectilignes est appelée rayon : le rayon est donc la lumière qui se propage dans le corps transparent depuis le corps lumineux suivant des trajectoires rectilignes. Les lignes droites suivant lesquelles la lumière se propage sont des lignes virtuelles et non réelles. Les lignes virtuelles et la lumière qui se propage suivant ces lignes forment ensemble ce qu’on appelle rayon : le rayon est donc une forme substantielle qui se propage suivant des lignes droites. Mais les géomètres appellent rayon les rayons visuels par analogie avec les rayons solaires et les rayons du feu : en

effet, les plus anciens d’entre eux considéraient que la vision est au moyen d’un rayon qui sort de l’œil pour aboutir à l’objet vu, le rayon produisant ainsi la vision. Ce rayon est une puissance lumineuse qui appartient au même genre que la lumière, elle est la puissance de vision et se propage depuis l’œil suivant des trajectoires rectilignes dont l’origine est au centre de l’œil. Si la puissance lumineuse aboutit à l’objet vu, il sera perçu. Cette puissance lumineuse qui se propage suivant des lignes droites issues du centre de l’œil forme avec ces droites ce que les géomètres appellent rayon visuel. Quant à ceux qui considèrent que la vision est produite par le renvoi d’une forme de l’objet vu à l’œil, ils estiment que le rayon est la lumière qui se propage depuis l’objet vu suivant des trajectoires rectilignes se rencontrant au centre de l’œil .Les partisans de cette opinion pensent, en effet, que la lumière se propage à partir de tout point lumineux suivant toute ligne droite pouvant être menée de ce point. Si l’œil rencontre don un quelconque objet et qu’il y ait en cet objet une lumière-substantielle ou accidentelle-de tout point de la lumière, une lumière se propagera suivant toute ligne pouvant être menée de ce point à la surface de l’œil en suivant une infinité de lignes droites et dans une infinité de positions variées. Les lignes droites virtuelles qui sont menées du centre de l’œil à la surface de l’objet vu sont donc d ces lignes suivant lesquelles les lumières se propagent .L’œil perçoit ainsi la forme de l’objet vu dans la lumière qui lui est renvoyée seulement suivant les trajectoires de ces lignes car les partisans de cette opinion croient que l’œil est impressionnable seulement par les lumières qui lui sont renvoyées suivant les trajectoires de ces lignes et qu’il ne sent pas ce qui lui est renvoyé par ailleurs. La lumière qui se propage suivant des trajectoires rectilignes se rencontrant au centre de l’œil avec ces lignes mêmes, se nomme rayon : le rayon visuel est pour tous les géomètres une certaine lumière se propageant au centre de l’œil. Ces lignes considérées individuellement sont les lignes virtuelles appelées par les géomètres lignes des rayons. Selon la proposition première, universelle, le rayon est une lumière –celle du Soleil, de la Lune, des Astres, du feu ou de l’œil-qui se propage suivant des trajectoires rectilignes : telle est la définition du rayon au sujet duquel les physiciens n’ont aucune doctrine particulière.

Texte 3 : Extrait de « La Dioptrique », discours premier "De la lumière" in Œuvres de Descartes, pp. 8-10, publiées par V. Cousin, Paris, 1824.

Texte 4 : Extrait de « La Dioptrique », discours quatrième "Des sens en général" in Œuvres de Descartes, pp. 38-39, publiées par V. Cousin, Paris, 1824.

Questions autour de ces lectures : 1) Quand Alhazen cite les géomètres, à quelle époque et à qui fait-il référence ? 2) Quelle est la différence fondamentale entre le mécanisme de la vision retenu dans l’Antiquité et celui physiquement correct ? Expliquez simplement ce qui se passerait ou non en termes de vision dans une pièce éclairée en utilisant l’une et l’autre des théories. 3) Résumer en quelques lignes les avancées conceptuelles d’Alhazen dans le traitement géométrique de la vision. Donner une autre expression pour qualifier « lumière accidentelle ». 4) Quelle est l’erreur faite par Descartes dans la vision nocturne des chats ? Quel est l’adjectif qualificatif concernant cette particularité des chats? 5) Pour Képler, la rétine possède elle-même la faculté de reconnaître l’image optique, c'est-à-dire de transformer le visible en du vu. Ce n’est pas le cas chez Descartes pour qui l’information visuelle fait intervenir « autre chose ». Quelle est cette « autre chose »? 6) Pourquoi pourrait-on qualifier le mécanisme de la vision de mécanisme à la fois physique, physiologique et psychologique ?