Fiche de révision : Capteurs et signaux électriques
En bref
Cette fiche couvre les capteurs qui transforment une grandeur physique (lumière, température, etc.) en signal électrique, la propagation rectiligne de la lumière, l'année-lumière comme unité de distance, la formation des images par une lentille convergente, le fonctionnement de l'œil, la synthèse additive des couleurs et le rôle du capteur (CCD/CMOS) dans un appareil photo.
Points clés
- Un capteur convertit une grandeur physique (lumière, pression, température) en signal électrique (tension, courant).
- La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent ; sa vitesse dans le vide est c = 3,00×10^8 m/s.
- L'année-lumière (a.l.) est la distance parcourue par la lumière en un an : 1 a.l. = 9,47×10^15 m.
- Une lentille convergente fait converger des rayons lumineux parallèles en son foyer image F' ; elle forme une image réelle et renversée d'un objet placé avant son foyer objet.
- L'œil possède un cristallin (lentille convergente de distance focale variable) et une rétine (écran) ; l'image se forme sur la rétine, renversée et plus petite.
- Les couleurs des objets résultent de la synthèse additive (lumières colorées) ou soustractive (pigments) ; un capteur numérique enregistre les intensités de rouge, vert et bleu.
- Un capteur d'image (CCD ou CMOS) est une matrice de photodiodes qui convertit la lumière reçue en signal électrique pour former une image numérique.
Définitions & formules
Capteur
Dispositif qui transforme une grandeur physique (lumière, température, pression) en un signal électrique mesurable.
Année-lumière (a.l.)
Distance parcourue par la lumière dans le vide en une année : 1 a.l. = c × 1 an = 9,47×10^15 m.
Lentille convergente
Lentille plus épaisse au centre qu'aux bords, qui fait converger les rayons lumineux parallèles en un point appelé foyer image F'.
Foyer image F'
Point où convergent les rayons lumineux parallèles à l'axe optique après traversée d'une lentille convergente.
Distance focale f'
Distance entre le centre optique O de la lentille et le foyer image F' ; elle s'exprime en mètres.
Image réelle
Image formée par la convergence effective des rayons lumineux ; elle peut être projetée sur un écran.
Synthèse additive
Mélange de lumières colorées (rouge, vert, bleu) pour obtenir d'autres couleurs ; le mélange des trois donne du blanc.
Capteur CCD/CMOS
Matrice de photodiodes qui convertit la lumière en signal électrique ; chaque photodiode correspond à un pixel de l'image.
Méthode flash
- 1Pour calculer une distance en année-lumière : d (en m) = nombre d'années × c × 365,25 × 24 × 3600.
- 2Pour déterminer la position d'une image avec une lentille convergente : utiliser la relation de conjugaison 1/OF' = 1/OA' - 1/OA (avec OA < 0 pour un objet réel).
- 3Pour analyser la couleur d'un objet éclairé : la couleur perçue est celle de la lumière qu'il diffuse ; un filtre ne laisse passer que certaines longueurs d'onde.
- 4Pour comprendre le fonctionnement d'un capteur d'image : chaque photosite mesure l'intensité lumineuse reçue ; un filtre de Bayer (rouge, vert, bleu) permet de reconstituer les couleurs.
Exemple corrigé
Énoncé
Un capteur de luminosité reçoit une puissance lumineuse de 5 mW. Il délivre une tension de 2 V. Quelle est la sensibilité du capteur ?
Résolution
Sensibilité = tension / puissance = 2 V / 0,005 W = 400 V/W.
Pièges à éviter
❌ Faux : L'année-lumière est une unité de temps.
✅ Correct : L'année-lumière est une unité de distance (environ 9,47×10^15 m).
❌ Faux : L'image sur la rétine est droite.
✅ Correct : L'image sur la rétine est renversée (le cerveau la redresse).
❌ Faux : Un capteur CCD ne produit qu'un signal numérique.
✅ Correct : Un capteur CCD produit d'abord un signal analogique (tension) qui est ensuite converti en numérique par un convertisseur.
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