Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 25
L'appareil photographique
Je sais décrire un appareil photographique, expliquer comment l'objectif forme l'image sur le capteur et calculer la position et la taille de cette image.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Nommer les éléments d'un appareil photographique et leur rôle
- Modéliser l'appareil par une lentille convergente et un écran
- Expliquer la mise au point, le rôle du diaphragme et de l'obturateur
- Calculer la distance objectif-capteur et la taille de l'image
Avant de commencer : Les lentilles convergentes : construction de l'image, relation de conjugaison 1/OA' − 1/OA = 1/f et grandissement.
1Je découvre
Ibrahima est photographe dans les cérémonies de baptême et de mariage à Kindia. Un dimanche, il emmène son neveu Ousmane photographier la cascade du Voile de la Mariée.
Ousmane regarde Ibrahima travailler. Avant chaque photo, son oncle tourne une bague sur l'objectif jusqu'à ce que l'image devienne nette dans le viseur. Pour photographier la cascade, au loin, il tourne la bague dans un sens ; pour faire le portrait d'Ousmane, tout près, il la tourne dans l'autre sens. Le soir, pendant la fête, il modifie encore d'autres réglages parce qu'il fait sombre.
Ousmane a aussi un téléphone portable qui prend des photos. Il se demande ce qu'il y a à l'intérieur de ces appareils, pourquoi il faut « faire la mise au point », et ce que changent tous ces réglages.
Comment un appareil photographique forme-t-il une image nette, et comment s'adapte-t-il à la distance de l'objet et à la lumière ?
2Je comprends
1. De la chambre noire à l'appareil photographique
L'ancêtre de l'appareil photographique est la chambre noire : une boîte fermée, percée d'un petit trou. Sur la face opposée au trou, on observe une image renversée du paysage. Mais l'image est très peu lumineuse (le trou est petit) et floue si on agrandit le trou.
L'appareil photographique remplace le petit trou par une lentille convergente, l'objectif, qui laisse entrer beaucoup plus de lumière tout en donnant une image nette.
2. Les éléments d'un appareil photographique
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Boîtier | Boîte étanche à la lumière qui maintient tous les éléments |
| Objectif | Système de lentilles équivalent à une lentille convergente ; il forme l'image |
| Bague de mise au point | Déplace l'objectif pour que l'image soit nette sur le capteur |
| Diaphragme | Ouverture circulaire de diamètre réglable : il règle la quantité de lumière qui entre |
| Obturateur | Volet qui s'ouvre pendant une durée réglable (par exemple 1125 s) : il règle la durée d'exposition |
| Capteur (ou pellicule sur les anciens appareils) | Surface sensible sur laquelle se forme l'image et qui l'enregistre |
| Viseur ou écran | Permet de cadrer la photo |
Le téléphone portable contient un appareil photographique miniature fondé sur le même principe : un tout petit objectif de quelques millimètres de distance focale et un capteur électronique.
3. Le modèle optique
On modélise l'appareil par :
- une lentille convergente (l'objectif) de distance focale f ;
- un écran (le capteur), placé derrière la lentille.
Les objets photographiés sont en général loin, bien au-delà du double de la distance focale. D'après la leçon sur les lentilles, l'image est donc réelle, renversée et plus petite que l'objet. Elle se forme sur le capteur, un peu au-delà du foyer image F'.
4. La mise au point
Pour un objet très éloigné (un paysage, la cascade), l'image se forme au foyer image : la distance objectif-capteur vaut f.
Pour un objet plus proche, l'image se forme plus loin derrière l'objectif. Comme le capteur est fixe, on avance l'objectif (on l'éloigne du capteur) : c'est la mise au point. Dans un téléphone, un petit moteur fait ce réglage automatiquement.
Méthode
Pour calculer la position de l'image dans un appareil photographique :
- J'écris f (en mm ou en cm) et la position de l'objet OA, négative, dans la même unité.
- J'applique la relation de conjugaison : 1/OA' = 1/f + 1/OA.
- Je calcule OA' : c'est la distance objectif-capteur pour une image nette.
- Je calcule le grandissement γ = OA'/OA, puis la taille de l'image A'B' = |γ| × AB.
- Je vérifie que l'image tient sur le capteur.
Exemple
L'objectif d'Ibrahima a une distance focale de 50 mm. Où doit se trouver le capteur pour photographier la cascade très lointaine ? Et pour photographier une personne à 5 m ?
Objet très lointain : l'image est au foyer image, OA' = f = 50 mm.
Personne à 5 m : OA = −5 000 mm.
1/OA' = 1/50 − 1/5 000 = 100/5 000 − 1/5 000 = 99/5 000, donc OA' = 5 000/99 ≈ 50,5 mm.
L'objectif doit être avancé d'environ 0,5 mm par rapport au réglage « infini ».
Exemple
La personne photographiée mesure 1,70 m. Calcule la taille de son image sur le capteur. Tient-elle sur un capteur de 24 mm × 36 mm ?
γ = OA'/OA = 50,5 / (−5 000) ≈ −0,0101.
A'B' = 0,0101 × 1 700 mm ≈ 17,2 mm.
L'image est renversée (γ < 0) et mesure environ 17 mm : elle tient sur le capteur, même en cadrant la photo en largeur (24 mm).
Exemple
Pour un portrait à 1 m avec le même objectif, calcule la distance objectif-capteur.
OA = −1 000 mm. 1/OA' = 1/50 − 1/1 000 = 20/1 000 − 1/1 000 = 19/1 000, donc OA' = 1 000/19 ≈ 52,6 mm.
Il faut avancer l'objectif de 52,6 − 50 = 2,6 mm. Plus l'objet est proche, plus on avance l'objectif.
5. Régler la lumière : diaphragme et obturateur
Pour obtenir une photo ni trop sombre ni trop claire, le capteur doit recevoir la bonne quantité de lumière. Deux réglages y participent :
- le diaphragme : plus il est ouvert (grand diamètre), plus il entre de lumière à chaque instant ;
- l'obturateur : plus la durée d'ouverture est longue, plus le capteur reçoit de lumière.
Le soir, pendant la fête, Ibrahima ouvre davantage le diaphragme ou allonge la durée d'exposition, ou il utilise le flash. Mais une durée trop longue donne une photo floue si les danseurs bougent ou si l'appareil tremble. Pour photographier un mouvement rapide (un match de football au stade), on choisit une durée très courte, par exemple 1500 s, et on ouvre le diaphragme pour compenser.
Le diaphragme a un second effet : plus il est fermé, plus la zone nette devant et derrière le sujet est étendue. C'est la profondeur de champ.
6. L'appareil photographique et l'œil
L'œil fonctionne comme un appareil photographique : le cristallin joue le rôle de l'objectif, la pupille celui du diaphragme et la rétine celui du capteur. Une différence importante : l'œil ne fait pas la mise au point en déplaçant le cristallin, mais en changeant sa forme. Tu l'étudieras dans la leçon suivante.
3Je retiens
Je retiens
Appareil photographique : boîtier, objectif (lentille convergente), diaphragme, obturateur, capteur (ou pellicule).
Modèle : une lentille convergente et un écran (le capteur).
Image sur le capteur : réelle, renversée, plus petite que l'objet.
Objet très lointain : image au foyer, distance objectif-capteur = f. Objet plus proche : on avance l'objectif (mise au point).
Diaphragme : règle la quantité de lumière ; obturateur : règle la durée d'exposition.
Calculs : 1/OA' − 1/OA = 1/f et γ = OA'/OA.
4Erreurs fréquentes
- Croire que l'image sur le capteur est droite : elle est renversée ; c'est l'appareil qui la remet à l'endroit sur l'écran.
- Penser qu'on rapproche l'objectif du capteur pour un objet proche : c'est l'inverse, l'image se forme plus loin, on éloigne l'objectif.
- Confondre diaphragme et obturateur : le diaphragme agit sur le diamètre de l'ouverture, l'obturateur sur la durée.
- Mélanger les unités dans la relation de conjugaison : f et OA doivent être dans la même unité (tout en mm ou tout en cm).
5Je m’exerce
1Exercice 1
Associe chaque élément à son rôle.
Éléments : objectif ; diaphragme ; obturateur ; capteur.
Rôles : a) enregistre l'image ; b) règle la durée d'exposition ; c) forme l'image ; d) règle la quantité de lumière qui entre.
Voir le corrigéCacher le corrigé
Objectif : c) ; diaphragme : d) ; obturateur : b) ; capteur : a).
2Exercice 2
Un appareil a un objectif de distance focale 50 mm.
a) Où se forme l'image d'un objet très lointain ?
b) Calcule la distance objectif-capteur pour photographier un objet à 2 m.
c) De combien faut-il déplacer l'objectif entre ces deux réglages ? Dans quel sens ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Au foyer image, à 50 mm derrière l'objectif.
b) OA = -2 000 mm. 1OA' = 150 - 12 000 = 402 000 - 12 000 = 392 000, donc OA' = 2 00039 ≈ 51,3 mm.
c) 51,3 - 50 = 1,3 mm environ. Il faut éloigner l'objectif du capteur de 1,3 mm pour l'objet proche.
3Exercice 3
Mariama photographie une danse traditionnelle le soir, à Mamou. Ses premières photos sont trop sombres et floues.
a) Pourquoi sont-elles trop sombres ?
b) Si elle allonge la durée d'exposition, que risque-t-il de se passer ? Pourquoi ?
c) Propose deux solutions pour obtenir des photos claires et nettes.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Il fait sombre : le capteur ne reçoit pas assez de lumière pendant l'exposition.
b) Les danseurs bougent pendant que l'obturateur est ouvert, et l'appareil peut trembler dans la main : la photo devient floue (image « bougée »).
c) Ouvrir davantage le diaphragme ; utiliser le flash ; poser l'appareil sur un support stable ; éclairer la scène avec une lampe. (Deux solutions suffisent.)
4Exercice 4
(Type BEPC) L'objectif d'un appareil photographique est assimilé à une lentille convergente de vergence 20 δ. On photographie un arbre de 10 m de haut situé à 25 m de l'objectif.
a) Calcule la distance focale de l'objectif.
b) Calcule la distance objectif-capteur pour obtenir une image nette.
c) Calcule le grandissement et la taille de l'image de l'arbre. Précise son sens.
d) Le capteur mesure 24 mm × 36 mm. L'arbre entier tient-il sur la photo ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) f = 120 = 0,05 m = 5 cm.
b) OA = -2 500 cm. 1OA' = 15 - 12 500 = 5002 500 - 12 500 = 4992 500, donc OA' = 2 500499 ≈ 5,01 cm.
c) γ = 5,01-2 500 ≈ -0,002. A'B' = 0,002 × 1 000 cm ≈ 2,0 cm, soit 20 mm. L'image est renversée.
d) 20 mm est inférieur à 24 mm (et à 36 mm) : l'arbre entier tient sur la photo, dans les deux sens de cadrage.
5Exercice 5
Pour faire le portrait d'Ousmane, Ibrahima se place à 1 m de lui avec son objectif de 50 mm. Le visage d'Ousmane mesure 20 cm.
a) Calcule la distance objectif-capteur.
b) Calcule la taille de l'image du visage sur le capteur.
c) Compare avec l'image d'une personne entière à 5 m (environ 17 mm). Que remarques-tu ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) OA = -1 000 mm. 1OA' = 150 - 11 000 = 191 000, donc OA' = 1 00019 ≈ 52,6 mm.
b) γ = 52,6-1 000 ≈ -0,0526. Taille : 0,0526 × 200 ≈ 10,5 mm.
c) Le visage (20 cm) donne une image de 10,5 mm, alors que la personne entière (1,70 m) à 5 m donne 17 mm. En se rapprochant, le visage occupe une grande partie de la photo : c'est pour cela qu'on se rapproche pour faire un portrait.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
