Балкански 2006, Теория — Задача 1. La vision de l’homme
Concours Général de Physiques “Minko Balkanski” · 20 май 2006 г.
Внимание: Бележка към темата
Les solutions officielles sont en anglais. La dernière question conceptuelle sur la relation pression–flux n’a pas de réponse explicite dans le corrigé fourni.
Указания
Les deux problèmes sont entièrement indépendants et peuvent être traités dans n’importe quel ordre.
La clarté, la qualité et la précision de la rédaction, qui doit être obligatoirement en français, feront une part très importante de la note finale.
La durée de la composition est de 4 heures.
Условие
L’œil humain est composé dans une première approximation d’une lentille et d’un détecteur (rétine) comme montré sur la figure 1. La taille de l’œil humain et d’environ de diamètre.

Le détecteur est formé de deux types de petites cellules appelé cônes et bâtonnets. Les cônes sont présents surtout dans le centre de l’axe visuel tendis que les bâtonnets sont présents dans une zone plus large et leur concentration est maximale à de l’axe optique. La figure 2 montre la répartition des cônes et des bâtonnets sur la rétine.

Les cônes sont responsable pour la vision clair tendis que les bâtonnets sont responsables pour la vision périphérique.
Partie 1
Dans cette partie on considère uniquement des cônes. Pour modéliser cette partie on suppose que la rétine est plate et qu’elle situé à de la lentille.
1. Quelle doit être la puissance focale de la lentille pour qu’un objet situé à l’infini soit focalisé sur la rétine.
On suppose qu’on pose un objet à une distance de 1m.
2.a. Quelle doit être la focale de la lentille pour que l’objet soit net sur la rétine
2.b. Quelle est la taille maximale de l’objet pour qu’on le voie en vison claire.
Chez une personne myope la lentille focalise un objet situé à 3m de l’œil à 1 mm devant la rétine.
3.a. On corrige ce défaut par des lunettes. La distance œil lunettes est 1cm. Quelle doit être la focale de la lentille de la lunette
3.b. On corrige le défaut par une lentille de contacte. Quelle doit être la focale de la lentille de contacte.
On suppose que la densité des cônes est égale à la densité moyenne des cônes dans la zone de vision claire.
4.a. Quelle est la taille d’un cône
4.b. Quelles est la taille minimale visible de l’objet
4.c. Quelle est la distance minimale entre deux points situés à 1m d’un œil sans défauts pour qu’on puisse les voir séparés
4.d. Quelle est la résolution angulaire de l’œil en vison claire.
Partie 2
Dans cette partie ne suppose plus que la rétine n’est plus plate et on considère une rétine sphérique. De plus on prend en compte la réponse des cônes et des bâtonnets. On rappelle que la surface d’une portion de sphère est donnée par la formule avec où est l’angle solide et est l’angle montré sur la figure 3. On suppose en plus que pendant le jour deux bâtonnets sont nécessaires pour donner la même sensibilité qu’un cône.

1. Donner la résolution angulaire de l’œil dans la zone de vison claire en fonction de l’angle d’incidence de la lumière.
2. Calculer la résolution angulaire de l’œil sur toute la rétine en fonction de l’angle d’incidence de la lumière. Que se passe-t-il quand un objet s’éloigne de l’axe visuel ?
Отговори
Partie 1, 1. 41.7 Dpt
Partie 1, 2.a. 23 mm
Partie 1, 2.b. 36 cm
Partie 1, 3.a. -54.13 cm
Partie 1, 3.b.
L’unité n’est pas imprimée dans la réponse officielle.
Partie 1, 4.a. 4 μm
Partie 1, 4.b.
Partie 1, 4.c. 163 μm
Partie 1, 4.d.
Partie 2, 1.
Partie 2, 2. La résolution diminue.
Решение
First Part
1. As the object is located at infinity, the focal distance of the lens is . The focal power is .
2. An object is located at
a. The focal distance of the lens should be
b. It depends how we calculate. Actually, the original question was, “what is the MAXIMAL size”, but due to typing error maximal transformed into minimal. That’s why, we will treat the question with the minimal size, and the note will take into account the presented text, i.e the minimal size. For sake of clarity we will give also the answer of the maximal size. Now, let’s first try to calculate what is the mean distance between two points, knowing the density of the points. First, let’s suppose that the cells are homogeneous discs, and that at the maximal density point those discs are compactly stacked. So, what is the form of this stack? Each disc has the same radius . This means that the first nearest discs are located around a circle with radius . But those discs are in contact with each other. This means that the triangle formed by the centres of 3 touching each other discs has three identical sides. This means that the centres of the discs form a hexagonal mesh. Now, the elementary cell of the hexagonal mesh is a parallelogram with 4 identical sides equal to . Its surface is therefore . The surface occupied by the spheres in the parallelogram is
The fill factor is then . Now, let’s take a general surface much bigger than the surface of our discs. Then, the number of compactly stacked discs that we could put in the surface can be approximated by
Therefore, the density of the discs is . This gives us that the mean distance between two discs is . Now lets be the minimal size of the object. By simple geometry we have and .
Now, if we want to calculate the maximal size, it will be given by the angular dependency of the cons. We now that out of of the visual axe, no more cones exist. So the maximal size is . Let’s comment on this size. We know that we can see much bigger objects situated at 1m. But only within a circular region of r=36cm we could clearly see the objects, and out of that region, we will need to turn the eyes in order to see clearly.
3. Sight of a short seeing person.
a. Lets’ first calculate the focal distance of the short seeing eye. It is , and . Now lets calculate the distance of the virtual image to the eye if we want it to be clearly seen.
No if is the distance eye-glass, we obtain for the focal distance of the glass
The ” – “ sign means that the lens is divergent.
b. In the case of contact lenses and
4. Eye resolution
a. As is a linear function of the mean value of the density is simply . So the cell’s size is
b. By the result from 2.b . More we have an object that is located far from the eye, bigger it should be to be clearly seen.
c. Using 4 b . This value is bigger that the previously calculated but is a good approximation of the resolution in the eye in the whole visible region and not only in its centre.
d. The minimal visible angle . The angular resolution is .
Second Part
1. We have to calculate the angular resolution of the spherical eye as a function of the angle of the incident eye. In the clear part of the vision there are two types of cells, but the sticks has a lower response. We can model this by lowering their density by 2. So for the clear part of the vision we obtain fort the angular resolution
The angular resolution is .
2. The result is identical to 1. We have to see what happens when the object moves away from the visual axis. Well, arctan is an increasing function that means that if the argument of the function increase the function increases also. As the density of the cells in the human eye decrease, the argument increases and thus the resolution which is decreases.
Теми и трудност
Трудност: неоценена.
Оптика · Лещи и образи
Предпоставки: Разширена олимпиадна подготовка
Оригинал в Архива: CGP_2006_fr.pdf · официални решения: CGP_2006_cr.pdf