Combien de photons minimum peut capter la pupille?
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Combien de photons minimum peut capter la pupille?



  1. #1
    evrardo

    Combien de photons minimum peut capter la pupille?


    ------

    Bonjour,
    Combien de photons au minimum la pupille humaine arrive à capter.

    Une ampoule électrique éclaire parce qu'elle émet des photons.
    Si avec un variateur on diminue l'intensité électrique traversant l'ampoule, la lumière baisse.
    Est-ce que parce qu'il a moins de photons, ou est ce parce qu'ils ont moins d'énergie.

    Merci pour vos explications.

    -----
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  2. #2
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    Une ampoule électrique éclaire parce qu'elle émet des photons.
    Si avec un variateur on diminue l'intensité électrique traversant l'ampoule, la lumière baisse.
    Est-ce que parce qu'il a moins de photons, ou est ce parce qu'ils ont moins d'énergie.
    (Supposons qu'il s'agisse d'une ampoule à incandescence.)

    Les deux.

    Si l'intensité baisse, la température du filament baisse, donc le spectre se décale vers les basses fréquences: moins d'énergie en moyenne par photon, et surtout la portion de l'énergie dans le spectre visible diminue.

    (A contrario, on survolte les ampoules halogènes pour obtenir un spectre "plus froid" (plus bleu), pour la photo ou la plongée sous-marine...)

    Mais le total de l'énergie irradiée baisse plus vite, et le nombre total de photons (par unité de temps) baisse aussi.
    Dernière modification par Amanuensis ; 21/03/2014 à 08h24.
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

  3. #3
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par Amanuensis Voir le message
    (Supposons qu'il s'agisse d'une ampoule à incandescence.)

    Les deux.

    Si l'intensité baisse, la température du filament baisse, donc le spectre se décale vers les basses fréquences: moins d'énergie en moyenne par photon, et surtout la portion de l'énergie dans le spectre visible diminue.

    (A contrario, on survolte les ampoules halogènes pour obtenir un spectre "plus froid" (plus bleu), pour la photo ou la plongée sous-marine...)

    Mais le total de l'énergie irradiée baisse plus vite, et le nombre total de photons (par unité de temps) baisse aussi.
    Ok, merci.
    Mais comment l'énergie d'un photon peut elle diminuer?
    Il "vibre" moins? Cela a à voir avec a dualité onde/particule je crois.
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  4. #4
    LPFR

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Bonjour.
    Pour répondre à votre première question, j'ai lu, il y a longtemps, que l'œil bien adapté à l'obscurité peut détecter des éclairs donnés par 16 photons arrivant simultanément. Mais il ne faut pas oublier que des 16 photons, tous n'arrivent pas à la rétine et tous n'arrivent pas au même bâtonnet.
    Au revoir.
    Dernière modification par LPFR ; 21/03/2014 à 08h50.

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    Mais comment l'énergie d'un photon peut elle diminuer?
    Il n'est pas question de l'énergie d'un photon qui diminue, mais seulement que la statistique (spectre) des photons émis pendant une durée très courte présente une moyenne d'énergie diminuant avec l'intensité électrique passant par l'ampoule.

    Les photons dont on parle ici sont émis par le filament chaud, et très rapidement absorbés par l'environnement.
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

  7. #6
    obi76

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par LPFR Voir le message
    l'œil bien adapté à l'obscurité peut détecter des éclairs donnés par 16 photons arrivant simultanément
    C'est impressionnant quand même...
    \o\ \o\ Dunning-Kruger encore vainqueur ! /o/ /o/

  8. #7
    stefjm

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par obi76 Voir le message
    C'est impressionnant quand même...
    Il y a eu des expériences un peu controversées mais à priori sérieuses qui montrait qu'un seul photon suffisait.
    Moi ignare et moi pas comprendre langage avec «hasard», «réalité» et «existe».

  9. #8
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Alors je ne comprends pas très bien ceci:

    Plus une étoile est éloignée, moins on en reçoit de photons. Au dela d'une certaine distance, environ 10 000 années lumière, les étoiles ne sont plus visibles à l'oeil nu, il faut nécessairement utiliser des moyens optiques ou un radar.

    Mais alors que fait l'optique par rapport aux photons pour que l'étoile devienne visible?
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  10. #9
    LPFR

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    Alors je ne comprends pas très bien ceci:

    Plus une étoile est éloignée, moins on en reçoit de photons. Au dela d'une certaine distance, environ 10 000 années lumière, les étoiles ne sont plus visibles à l'oeil nu, il faut nécessairement utiliser des moyens optiques ou un radar.

    Mais alors que fait l'optique par rapport aux photons pour que l'étoile devienne visible?
    Re.
    Un radar... sûrement pas ! Je crois que l'objet le plus lointain exploré au radar est Venus, qui se trouve tout juste à côté (5 minutes à la vitesse de la lumière). Et encore ! En utilisant l'antenne de 300 m d'Arecibo.

    Un télescope (ou des jumelles) utilisent toute la lumière qui leur arrive et forment une image (presque) ponctuelle de la même étoile. Comme l'image sur la rétine a toujours la même dimension (quelques microns, déterminées par l'optique de l'œil), le rapport lumière par surface est multiplié par le rapport entre la surface de l'objectif et la surface de la pupille de l'œil habitué à l'obscurité (quelques 8 mm de diamètre).
    Pour des jumelles avec objectifs de 50 mm, cela fait une augmentation de luminosité de (50/8)² = 39.
    A+

  11. #10
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par LPFR Voir le message
    Un télescope (ou des jumelles) utilisent toute la lumière qui leur arrive et forment une image (presque) ponctuelle de la même étoile. Comme l'image sur la rétine a toujours la même dimension (quelques microns, déterminées par l'optique de l'œil), le rapport lumière par surface est multiplié par le rapport entre la surface de l'objectif et la surface de la pupille de l'œil habitué à l'obscurité (quelques 8 mm de diamètre).
    Pour des jumelles avec objectifs de 50 mm, cela fait une augmentation de luminosité de (50/8)² = 39.
    A+
    Ok pour ces notions d'optiqes, mais en termes de photons?

    Si une étoile comme le soleil émet 2.1026 photons/m² et située à quelques années lumière, donc visible à l'oeil nu.
    Un simple calcul montre qu'il y a moins de 0,001 photons arrivant dans notre pupille. Donc cette étoile devrait être invisible.

    Je comprends pas trop là!
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  12. #11
    LPFR

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    Ok pour ces notions d'optiqes, mais en termes de photons?

    Si une étoile comme le soleil émet 2.1026 photons/m² et située à quelques années lumière, donc visible à l'oeil nu.
    Un simple calcul montre qu'il y a moins de 0,001 photons arrivant dans notre pupille. Donc cette étoile devrait être invisible.

    Je comprends pas trop là!
    Re.
    Pour les photons le calcul est le même. Avec les jumelles il arrivera au même endroit de la rétine, 39 fois plus de photons.

    De toute évidence, votre calcul est archi-faux.
    Pouvez-vous le détailler ?
    A+

  13. #12
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par LPFR Voir le message
    De toute évidence, votre calcul est archi-faux. Pouvez-vous le détailler ?A+
    Oui j'ai fait une erreur dans les conversions des mm² en km². Maintenant ce calcul montre que la limite de visibilité d'une étoile correspond au nombre de photons qu'on en reçoit.

    L'étoile du même diamètre que soleil émet 2.1032 photons/km²/sec.
    Sa surface étant de 2,4.1019 km², elle émet donc 12.1044 photons. Comme on ne compte que le côté dirigé vers nous, cela fait moitié moins de photons, soit 6.1044 photons à chaque seconde.

    Ces photons s'échappent de cette étoile comme la partie extérieure d'une sphère s'agrandissant.
    Si cette étoile est à une distance de 1000 années lumière de nous (limite de visibilité à l'oeil nu), cette demi sphère de photons a maintenant une surface de 5.1032km².

    Avec une simple règle de trois:
    Surface de la "demi sphère de photons" = 6.1044
    Diamètre de la pupille = X
    Donc X = 6.1044 * Diamètre de la pupille/Surface de la "demi sphère de photons"

    La pupille reçoit 50 photons/seconde.
    Ce qui correspond a peu près à la limite de visibilité de l'oeil nu. Un télescope se comportant comme une pupille beaucoup plus large, il capte plus de photons qu'il transmet vers la pupille comme un entonnoir.
    Dernière modification par evrardo ; 21/03/2014 à 14h10.
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  14. #13
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Soleil vu de la Terre: 600 W/m² visible, photons de 500 nm en moyenne

    1 photon : hc/lambda = 2 e-25/500 e-9 = 4 e-19 J

    600 W/m² = 1.5 e21 photons/s.m² à 500 s de distance

    30 a.l = e9 secondes (e.g., 61 Ursae majoris, 0.8 masse solaire, mag. visuelle 5, juste visible œil nu)

    1.5 e21 (500 e-9)² = de l'ordre de 4 e8 photons/s.m², soit pour 7mm de diamètre pupillaire, de l'ordre de 1 million de photons par s.
    Dernière modification par Amanuensis ; 21/03/2014 à 14h20.
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

  15. #14
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par Amanuensis Voir le message
    Soleil vu de la Terre: 600 W/m² visible, photons de 500 nm en moyenne

    1 photon : hc/lambda = 2 e-25/500 e-9 = 4 e-19 J

    600 W/m² = 1.5 e21 photons/s.m² à 500 s de distance

    30 a.l = e9 secondes (e.g., 61 Ursae majoris, 0.8 masse solaire, mag. visuelle 5, juste visible œil nu)

    1.5 e21 (500 e-9)² = de l'ordre de 4 e8 photons/s.m², soit pour 7mm de diamètre pupillaire, de l'ordre de 1 million de photons par s.
    Oui, autre façon de calculer.
    Merci pour l'explication.
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  16. #15
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Mouais... Je me suis quand même planté d'un facteur 100 dans la dernière ligne droite... De l'ordre de 10000 photons/s en final.
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

  17. #16
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par Amanuensis Voir le message
    Mouais... Je me suis quand même planté d'un facteur 100 dans la dernière ligne droite... De l'ordre de 10000 photons/s en final.
    J'avais pas vérifié vos calculs.
    Erreur sans doute dans les conversions entre les mm² de la pupille et les années lumière des distance.
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  18. #17
    calculair

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Bonjour,

    Voila mon estimation

    Magnetude du soleil -27

    Magnetude etoile limite de visibilité œil nu 6

    Ecart de magnetude -33

    Definition magnetude = 2,5 log F /F°

    Log F /F' -13,2

    Rapport F /F' 6,30957E-14

    Soleil 800 W/m2

    Etoile limite de visibilité étoile 5,04766E-11 W /m2

    Longueur d'onde moyenne soleil 500 nm

    h = 6,6E-34

    Energie 1 photon 3,96E-19 J

    Flux de photon etoile 127466130,2 Photon /s

    Rapport surface pupille/1 m2 0,00000314

    Nb de photons pupille 400 photons /s
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  19. #18
    calculair

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Bonjour,

    Si la pupille fait 8 mm comme l('estime LPFR , il faut multiplier par 64 ( 8^2 )

    cela fait 3000 photons /seconde
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  20. #19
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par calculair Voir le message
    Bonjour,

    Si la pupille fait 8 mm comme l('estime LPFR , il faut multiplier par 64 ( 8^2 )

    cela fait 3000 photons /seconde
    Non! 8mm c'est le diamètre de la pupille, pas le rayon! Tu t'imagines avec une pupille de 1,6 cm de diamètre!
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  21. #20
    calculair

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Bonjour,

    Bon tu divises par 4 ......

    Un ordre de grandeur cela fait 1000 photons seconde


    Peut on valider cette estimation ?
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  22. #21
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    La pupille reçoit 50 photons/seconde..
    Amanuensis;: ]pour 7mm de diamètre pupillaire, de l'ordre de 1 million de photons par s.
    Amanuensis;: ]Je me suis quand même planté d'un facteur 100 dans la dernière ligne droite... De l'ordre de 10000 photons/s en final.
    calculair;]Nb de photons pupille: 400 photons /s
    calculair;] Si la pupille fait 8 mm comme l('estime LPFR , il faut multiplier par 64 ( 8^2 ) cela fait 3000 photons /seconde
    calculair;]Un ordre de grandeur cela fait 1000 photons seconde. Peut on valider cette estimation ?
    Va falloir qu'on retourne à l'école!
    Dernière modification par evrardo ; 21/03/2014 à 19h14.
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  23. #22
    calculair

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    Va falloir qu'on retourne à l'école!

    Quelle école tu proposes ?
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  24. #23
    evrardo

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par calculair Voir le message
    Quelle école tu proposes ?
    Au moins en CM2 pour réapprendre les bases des maths!
    Travaillez, prenez de la peine, c'est le fond qui manque le moins.

  25. #24
    calculair

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Poses le problème aux CM2


    Ce qui est intéressant est de discuter sur la méthode de calcul.
    Dernière modification par calculair ; 22/03/2014 à 08h51.
    En science " Toute proposition est approximativement vraie " ( Pascal Engel)

  26. #25
    LPFR

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Bonjour.
    En dehors des erreurs bêtes de manipulation de la calculette (dont je suis un habitué), ce qui compte est, comme le dit Calculair, la méthode de calcul. Et les données de départ.
    Pour le Soleil, si on est d'accord sur la puissance surfacique qui arrive chez nous (844 W/m²) le nombre de photons demande des hypothèses. Tous les photons ne tombent pas dans le visible et même dans le visible, on n'a pas la même sensibilité suivant la longueur d'onde. Donc, on fait largement une erreur d'un facteur 2 suivant les hypothèses.
    Les 8 mm de la pupille, correspondent à un cas extrême, peut-être sous l'action d'une substance mydriatique (l'atropine, l'épinéphrine, l'homatropine, l'hyoscyamine, la néosynéphrine, etc.). (On vous en donne pour faire des examens du fond de l'œil). Sans leur aide, la pupille ne doit pas se dilater autant.

    Finalement on ne peut pas obtenir le même résultat pour la visibilité des étoiles que pour la détection d'un flash. Nous sommes plus sensibles aux variations de lumière qu'à la lumière elle-même. Probablement le souvenir évolutionnaire de l'époque où nous étions encore des mollusques.

    J'obtiens, pour une pupille de 7 mm,4,4 10^16 photons/s pour le soleil (en prenant 422 W/m² pour le visible).
    Avec le rapport de 6,3 10^(-14) de Calculair, j'obtiens 2600 photons/s pour les étoiles de 6ème magnitude.
    Ce qui ne me choque pas si je compare à la sensibilité à un flash détecté une fois sur deux de 16 photons.
    Au revoir.

  27. #26
    obi76

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par LPFR Voir le message
    J'obtiens, pour une pupille de 7 mm,4,4 10^16 photons/s pour le soleil (en prenant 422 W/m² pour le visible).
    Avec le rapport de 6,3 10^(-14) de Calculair, j'obtiens 2600 photons/s pour les étoiles de 6ème magnitude.
    Ca me parait nettement plus raisonnable. 10000 photons/s pour un soleil vu de face, ça me paraissait quand même très peu...
    \o\ \o\ Dunning-Kruger encore vainqueur ! /o/ /o/

  28. #27
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par evrardo Voir le message
    Va falloir qu'on retourne à l'école!
    La plupart des résultats sont cohérents. Il y a des différences dans les hypothèses (magnitude, portion de la puissance solaire dans le visible, diamètre pupillaire) qui amène une dispersion sur un ou deux ordres de grandeur, rien d'anormal.
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

  29. #28
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par obi76 Voir le message
    10000 photons/s pour un soleil vu de face, ça me paraissait quand même très peu...
    Où a été cité un tel chiffre ???
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

  30. #29
    obi76

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    Citation Envoyé par Amanuensis Voir le message
    Où a été cité un tel chiffre ???
    #18 par exemple...
    \o\ \o\ Dunning-Kruger encore vainqueur ! /o/ /o/

  31. #30
    Amanuensis

    Re : Combien de photons minimum peut capter la pupille?

    On ne doit pas lire la même discussion, je ne vois rien de tel dans le message #18, qui (au passage) donne un résultat du bon ordre de grandeur, tout aussi "raisonnable", indépendamment de l'auteur.
    Dernière modification par Amanuensis ; 22/03/2014 à 10h10.
    Pour toute question, il y a une réponse simple, évidente, et fausse.

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