PARTIE 1 : « REPRÉSENTATION VISUELLE » (8 points)
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La couleur des poissons change-t-elle avec la profondeur ?
Pierre, préparant le niveau 3 de plongée sous-marine pendant ses vacances, doit réaliser des plongées à des profondeurs allant jusqu’à 60 m. Lors de ses premières plongées en profondeur, il constate, avec surprise, qu’entre 10 m et 30 m de profondeur, les poissons et les végétaux lui paraissent bleu-vert. De plus, il précise qu’à des profondeurs plus importantes (60 m), là où l’intensité lumineuse (mesurée en lux) est inférieure à 100 lux, il n’a plus aucune perception des couleurs.

On cherche à comprendre l’évolution de la perception des couleurs par Pierre lors de sa plongée.

 Document 1 : éclairement en fonction de la profondeur pour certaines couleurs
On mesure l’éclairement reçu par un capteur placé à différentes profondeurs pour trois longueurs d’onde.
Pour chaque longueur d'onde, on détermine à différentes profondeurs le rapport (exprimé en %) de la mesure d’éclairement sur la mesure obtenue en surface.

 Aide à la lecture du graphique : pour la couleur verte de longueur d’onde égale à 550 nm, à 10 m de profondeur, le capteur reçoit 60 % de la lumière arrivant à la surface.

Document 2 : sensibilité des photorécepteurs rétiniens
Pour différentes longueurs d'onde, chaque type de photorécepteur a été soumis à une intensité lumineuse (mesurée en lux) croissante. Le graphique représente l'intensité lumineuse minimale à partir de laquelle le photorécepteur réagit.

Aide à la lecture du graphique : pour la longueur d’onde égale à 550 nm, le photorécepteur C3 réagit pour une intensité lumineuse supérieure à 103 lux.

Dans les conditions de sa plongée Pierre reçoit une lumière d'intensité de :
− 104 lux à 30 m de profondeur,
− 102 lux à 60 m de profondeur.

Document 3 : le cercle chromatique



 COMMENTAIRE REDIGÉ
Lors de son entraînement à 60 m de profondeur, Pierre pêche un poisson, qui lui semble gris. Lors de sa remontée, il constate qu’à la profondeur de 30 m, le poisson lui apparait de couleur bleue tandis qu’à la surface il est de couleur magenta.
Expliquer l’évolution de la perception des couleurs du poisson par Pierre au cours de sa plongée.
Vous développerez votre argumentation en vous appuyant sur les documents et vos connaissances (qui intègrent entre autres les connaissances acquises dans différents champs disciplinaires).

Éléments de correction
L'intensité lumineuse (en candela : cd) n'est pas équivalente à l'éclairement : flux lumineux reçu par une surface (en lux : lx). Mais la distinction de ces deux grandeurs n'est pas essentielle ici.
Avec la profondeur la lumière est absorbée par l'eau et l'éclairement diminue. Mais l'absorption du rayonnement lumineux par l'eau n'est pas la même pour toutes les longueurs d'onde et le rapport entre les différentes longueurs d'onde est différent selon la profondeur à laquelle l'observateur se trouve. Les longueurs d'onde les plus élevées sont les plus absorbées au fur et à mesure que la profondeur augmente.
Ainsi les objets VUS (perçus) à différentes profondeurs qui sont non pas des sources lumineuses, mais qui sont éclairés par la lumière en provenance de la surface, sont éclairés par une lumière dont le spectre est modifié (moins de longueurs d'ondes élevées); leurs couleurs apparentes - à la profondeur d'observation - sont donc modifiées. L'exemple du poisson de Pierre est significatif : De couleur rouge en surface (éclairé par l'ensemble du spectre lumineux solaire), il perd une grande partie de sa composante de grande longueur d'onde à 30 m (20% à 550 nm et plus de 85% à 450 nm - doc 1) et apparaît bleu (le bleu-vert-cyan) est à l'apposé du rouge dans le cercle chromatique (si le rouge est absorbé c'est la couleur complémentaire qui est perçue - doc 3).
À 60 m, le rouge et le vert sont presque tous les deux entièrement absorbés et seul le bleu domine (doc 3). Comme il n'y a plus de différentes longueurs d'onde perçues par l'œil, le poisson rouge apparaît gris. En effet l'œil perçoit toujours des différences.  Mais ce qui compte surtout à cette profondeur c'est l'éclairement qui est inférieur à 100 lx. Avec cette instensité lumineuse, seuls les bâtonnets sont excités. Dans la courbe du doc 2 on précise le rôle des 4 types de cellules visuelles de la rétine humaine. Les bâtonnets sont sensibles aux faibles éclairements (dès 1 lx), mais ne permettent pas de distinguer de couleurs (une courbe d'absorption qui couvre tout le spectre visible). Alors que les cônes (dénommés Rouge (L = large), Vert (M = médium) et Bleu (S = small) selon la longueur d'ondre croissante de leur pic de sensibilité, peuvent, par le décalage de leur spectre d'absorption, permettre à l'œil de différencier les couleurs. On notera donc qu'en-dessous d'un peu plus de 100 lx, ils ne sont pas activés, ce qui fait que Pierre, au-delà de 50-60 m, ne peut plus voir qu'avec ses bâtonnets et en GRIS.