PROGRAMME DE COLLES DE PHYSIQUE Semaine 6 du 5 au 9 Novembre 2018

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1 PROGRAMME DE COLLES DE PHYSIQUE Semaine 6 du 5 au 9 Novembre 2018 Cours S5 : Formation des images en optique géométrique INSTRUMENTS D'OPTIQUE EN EXERCICES : lunettes astronomiques/galilée, microscope, téléobjectif... Cours S6 : Ouverture au monde quantique Cours UNIQUEMENT I. Succès et limites de la physique classique On revient sur les succès de la physique classique qui ont permis de prédire et d'interpréter la quasi-totalité des phénomènes observés depuis le mouvement des planètes jusqu'à la diffraction de la lumière. II. Aspects corpusculaires de la lumière : notion de PHOTON Limites de la théorie ondulatoire de la lumière : i) Rayonnement du corps noir : en 1900, Max Planck se penche sur le problème et propose une hypothèse révolutionnaire : «Les échanges d'énergie entre la lumière et la matière sont quantifiés et sont multiples d'une valeur minimale, le quantum d'énergie, dont l'expression est : E = h.ν» ii) Effet photoélectrique : en 1905, Albert Einstein proposa une interprétation de l effet photoélectrique en utilisant l hypothèse des quanta de Planck. Il supposa que : «L'énergie de la lumière est quantifiée, elle est constituée de quantas indivisibles d'énergie E = h.ν chacun d'eux pouvant être absorbés ou produits par la matière» Il faut savoir interpréter cette expérience en terme de collisions pour déterminer la fréquence seuil à partir de laquelle il y a un effet photoélectrique. Caractéristiques dynamiques du photon : i) Preuve de l'existence du photon : Expérience de la lame semi-réfléchissante de Kimble, Dagenais et Mandel (1977) ii) Fiche signalétique du photon : masse, énergie et quantité de mouvement. iii) Interprétation de l'effet Compton : on interprète cette expérience en utilisant les propriétés du photon. Il faut savoir interpréter cette expérience en terme de collisions pour montrer que la fréquence du rayonnement X diffusé est inférieure à celle du rayonnement X incident. La lumière : onde ou corpuscule? Il faut finalement accepter la dualité onde-corpuscule pour la lumière : les deux descriptions ne s opposent pas mais se complètent.

2 III. Aspects ondulatoires de la matière : notion de FONCTION D'ONDE Hypothèse fondamentale de Louis de Broglie : Il postula en 1924 l'existence pour toute particule d'une onde de matière qui lui est associée et établit sur des arguments théoriques une expression pour la longueur d'onde de cette onde : λ DB = h p L'analogie entre l'optique ondulatoire et la mécanique ondulatoire est établie. Quelques ordres de grandeur permettent de définir un 1 er critère quantique. Confirmations expérimentales : i) Les américains Davisson et Germer apportent la première preuve expérimentale de l'hypothèse de De Broglie en observant la diffraction d'un faisceau d'électrons par un monocristal de Nickel. ii) expérience d'interférences atomiques de Shimizu et Takuma (1992) iii) application au microscope électronique : principe de fonctionnement Interprétation probabiliste d'une expérience d'interférences «particules par particules» On reprend l'expérience de Shimizu et Takuma où les atomes de Néon, tous préparées dans le même état quantique, sont envoyées un par un sur un dispositif interférentiel de type Fentes d'young. i) Aux mêmes conditions initiales correspondent des impacts différents : il s'agit d'un comportement non déterministe des particules ii) Il s'agit d'un phénomène probabiliste NON classique : p(m) p 1 (M) + p 2 (M) Notion de fonction d'onde : cette fonction «contient» toutes les informations relatives à l état de la particule. Le module carré de la fonction d'onde représente la densité de probabilité de trouver la particule au point M à l'instant t. La condition de normalisation traduit le fait que la particule quantique est avec certitude dans tout l'espace disponible. Retour sur l'expérience des Fentes d'young : on retrouve le résultat probabiliste NON classique p(m) p 1 (M) + p 2 (M) à l'aide des fonctions d'onde correspondantes.

3 Capacités exigibles Cours S5 : Formation des images en optique géométrique Savoir énoncer les conditions de Gauss. Connaître les définitions et les propriétés du centre optique, des foyers principaux et secondaires, de la distance focale et de la vergence. Lentille CV ou DV : construire l image d un objet situé à distance finie ou infinie à l aide de rayons lumineux. Connaître et savoir utiliser les relations de conjugaison de Descartes et de Newton. Savoir établir la condition de projection. Connaître le montage expérimental permettant d'obtenir une projection d'image. Savoir modéliser l'œil comme l'association d'une lentille de vergence variable et d'un capteur fixe. Connaître le pouvoir séparateur de l œil. Connaître la plage d'accommodation de l œil emmétrope (schéma optiques correspondants). Connaître les défauts de l œil et réaliser les schéma optiques correspondants. Savoir appliquer les lois de l'optique géométrique à l'étude d'un instrument d'optique. Cours S6 : Introduction au monde quantique Savoir décrire des phénomène inexplicables par la physique classique : catastrophe ultraviolette et effet photoélectrique et présenter les hypothèses révolutionnaires de Planck (1900) et Einstein (1905). Savoir proposer une interprétation simple de l'effet photoélectrique en utilisant l'hypothèse d'einstein. Savoir interpréter l'effet photoélectrique en terme de collisions pour déterminer la fréquence seuil à partir de laquelle il y a un effet photoélectrique. Savoir décrire l expérience de la lame semi-réfléchissante qui a mis en évidence le photon dans sa propagation libre. Connaître les propriétés du photon : masse, énergie, quantité de mouvement. Savoir interpréter l effet Compton en terme de collisions pour montrer que la fréquence du rayonnement X diffusé est inférieure à celle du rayonnement X incident. Savoir énoncer l hypothèse fondamentale de Louis de Broglie. Savoir calculer la longueur d'onde de De Broglie de différents systèmes. Savoir décrire un exemple d expérience illustrant la notion d ondes de matière : expérience de Davisson et Germer, expériences d'interférences atomiques ou moléculaires. Savoir interpréter une expérience d interférences «particule par particule» en termes probabilistes. Savoir interpréter la fonction d'onde d'une particule quantique. Savoir définir la densité de probabilité de présence. Savoir retrouver le résultat probabiliste NON classique p(m) p 1 (M) + p 2 (M) des Fentes d'young à l'aide des fonctions d'onde correspondantes.

4 FICHE D'ÉVALUATION KHÔLLE PCSI Semaine 6 NOM : NOTE : PRÉNOM : Question de cours : Exercice(s) : Compétences transversales A B C D Commentaires S'approprier et analyser le problème Savoir réinvestir les résultats de cours dans de nouvelles situations Savoir faire preuve d'initiatives et de réactivité face aux indications fournies par l'examinateur Savoir présenter son travail : tableau organisé et soigné, communication claire et convaincante Savoir mener un calcul sans erreurs Compétences disciplinaires A B C D Commentaires S5 : Formation des images en optique géométrique Maîtriser le vocabulaire de l'optique géométrique Savoir énoncer clairement les conditions de Gauss et savoir comment les réaliser expérimentalement Savoir tracer l'image d'un objet donné par une lentille CV ou DV Connaître le modèle de l'œil réduit, son pouvoir séparateur, sa plage d'accommodation et ses défauts Établir/utiliser la condition de projection d'une image D > 4 f ' Savoir appliquer les lois de l'optique géométrique à l'étude d'un instrument d'optique

5 Savoir décrire la catastrophe ultraviolette et l'effet photoélectrique Présenter les hypothèses révolutionnaires de Planck (1900) et Einstein (1905) Savoir proposer une interprétation de l'effet photoélectrique en terme de collisions (fréquence seuil) Savoir décrire l expérience de la lame semi-réfléchissante Savoir interpréter l effet Compton en terme de collisions Connaître les propriétés du photon : masse, énergie, quantité de mouvement Savoir énoncer l hypothèse fondamentale de Louis de Broglie Savoir calculer la longueur d'onde de De Broglie de différents systèmes Savoir décrire une expérience illustrant l onde de matière Savoir interpréter une expérience d interférences «particule par particule» en termes probabilistes Savoir interpréter la fonction d'onde d'une particule quantique Savoir définir la densité de probabilité de présence Savoir retrouver le résultat probabiliste NON classique p(m) p 1 (M) + p 2 (M) des Fentes d'young à l'aide des fonctions d'onde correspondantes S6 : Ouverture au monde quantique A : acquis / B : en cours d'acquisition / C : insuffisant / D : non acquis / N : non évalué