Corrigés d exercices Chapitre 3 (p.70 81)

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1 Exercice 1 1. F. La façon dont une onde est diffractée dépend de la forme et de la dimension de l obstacle qu elle rencontre. 2. V. Le phénomène de diffraction ne peut s expliquer que par une approche ondulatoire. 3. F.. L onde sera diffractée. 4. V. Un LASER vert est de longueur d onde plus petite qu un LASER rouge. Il sera donc moins diffracté que le LASER rouge ouverture angulaire moins importante. Exercice 2 1. a.. 2. a. et c b. Chaque onde monochromatique constituant la lumière blanche va être diffractée, avec une ouverture angulaire, d où l irisation observée sur l écran. Exercice 3 a.. b.. Exercice 4 1. L onde est plane avant l obstacle, et circulaire après. Cette expérience permet donc de mettre en évidence le phénomène de diffraction. 2.a.. 2.b. On retrouve cette valeur sur la photo. 2.c. La longueur d onde n est pas modifiée par le phénomène de diffraction. 3..!!! L ouverture angulaire sur la photo est de 15, et pas 30!!! Exercice 5 1.a. Tableau : l (cm) 0,4 0,6 1,3 1,6 3,2 4,0 2,2 a (mm) 0,40 0,28 0,12 0,10 0,05 0,04 0,07 (m -1 ) 2, , , , , , , b. Evolution de la largeur l de la tache centrale en fonction de : 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 1.c. La représentation graphique obtenue a l allure d une fonction linéaire. 1.d. D après la théorie de la diffraction, la largeur de la tache centrale de diffraction est inversement proportionnelle à la largeur de l obstacle. La représentation graphique obtenue est donc cohérente avec cette théorie. 2.a.. y = 1,59E-06x R² = 0, ,00E+00 5,00E+03 1,00E+04 1,50E+04 2,00E+04 2,50E+04 3,00E+04

2 2.b. D après la théorie de la diffraction,. 2.c. On retrouve la valeur déterminée expérimentalement. Exercice 7 1. V. Lorsqu elles sont en phase, deux ondes synchrones ont une amplitude maximale simultanément. Elles interfèrent donc de manière constructive. 2. F. Dépendant de la distance parcourue par les ondes issues des deux sources, elles dépendent donc également de l endroit où elles sont observées. 3. F. Les franges sombres sont dues à des interférences destructives. 4. V. L interfrange dépend de la longueur d onde de l onde émise par la source. Exercice 8 1. a et c., soit. Les ondes sont donc en phase, et interfèrent de façon constructive. 2. c. Pour réaliser des interférences, il faut deux sources synchrones, c est-à-dire monochromatiques, de même fréquence (et donc de même longueur d onde) et issues d une même source ponctuelle. 3. b et c. Lorsque deux ondes sont en opposition de phase, elles interfèrent de façon destructive. La frange observée est donc sombre, ce qui correspond à une absence de lumière. Exercice 9 1. Afin de réaliser des interférences, il est nécessaire d avoir deux sources synchrones, d où la présence du trou source S. 2. Le trou source peut être avantageusement remplacé par un LASER, source monochromatique ponctuelle. 3. ( ) [( ) ( )] Exercice 10 1.a. Deux vibrations sont dites «exactement opposées» lorsque, à tout instant, la somme de leurs deux amplitudes est égale à 0. 1.b. Pour être «exactement opposées», c est-à-dire en opposition de phase, les deux ondes doivent être déphasées d un multiple impair de p. 2. anti-son son signal résultant Exercice 11 a. Dans le cas de lunettes anti-reflets, le déphasage entre les signaux associés aux deux ondes doit être un multiple impair de. Ainsi, les signaux sont en opposition de phase, et les interférences seront destructives. b. Dans le cas de lunettes très réfléchissantes, le déphasage entre les signaux associés aux deux ondes doit être un multiple de. Ainsi, les signaux sont en phase, et les interférences seront constructives. Exercice V. L effet Doppler existe quelle que soit la vitesse relative de l émetteur par rapport au récepteur. 2. V. 3. F. L effet Doppler s applique à toutes les ondes, mécaniques comme électromagnétiques.

3 Exercice d. La différence entre fréquence émise et fréquence perçue ne dépend que de la vitesse relative de l émetteur par rapport au récepteur. 2. a, b et d. Si le décalage Doppler est nul, cela implique que la vitesse relative de l émetteur par rapport au récepteur est nulle. Ils sont donc tous deux soit immobiles, soit en déplacement avec le même vecteur vitesse. 3. b. Plus la vitesse relative de l émetteur par rapport au récepteur est faible, plus le décalage Doppler est faible. Exercice 15 1.a. Pour que l auditeur entende une note plus aigüe, il faut que le train s approche de lui. ( ) ( ) ( ). 1.b. Pour que l auditeur entende une note plus grave, il faut que le train s éloigne de lui. ( ) ( ). Exercice Si la source s approche de l observateur, la fréquence du signal perçu est supérieure à la fréquence du signal émis. On observe donc un décalage vers le violet. De même, si la source s éloigne de l observateur, la fréquence du signal perçu est inférieure à la fréquence du signal émis. On observe alors un décalage vers le rouge. 2.a. ( ) ( ). 2.b. La célérité de la lumière est très importante. Par conséquent, pour qu un décalage en fréquence de la lumière soit perçu visuellement, il faut que la vitesse relative de la source par rapport à l observateur soit très importante. De telles vitesses concernent principalement les objets astronomiques. Exercice 17 1.a.. 1.b. La longueur d onde est de l ordre du cm. 2.a. La fréquence du signal perçu est supérieure à la fréquence du signal émis. La voiture s approche donc du radar. 2.b. Le signal effectue un aller-retour, la voiture jouant le rôle de réflecteur. La vitesse de déplacement de la voiture est très faible devant la célérité des ondes utilisées. On peut donc écrire : Même en prenant en compte l incertitude sur la mesure de la vitesse, l automobiliste a commis un excès de vitesse. 3. ( ) Exercice a. La fréquence du signal perçu est plus faible que la fréquence du signal émis. Le son perçu est donc plus grave que le son émis. 2.b. Cela correspond bien à un éloignement du véhicule. 3.a. ( ) ( ). 3.b. Cette vitesse est possible pour une voiture téléguidée..

4 Exercice Le signal effectue un aller-retour, le papillon jouant le rôle de réflecteur. La vitesse de déplacement du papillon est très faible devant la célérité des ondes utilisées. On peut donc écrire ( ) ( ). La fréquence du signal perçu est supérieure à celle du signal émis. Le papillon s approche donc de la chauve-souris. 2.a.. La taille du papillon est supérieure à la longueur d onde de l ultrason émis. Le signal n est donc pas diffracté par le papillon. 2.b. Le recours aux ultrasons permet à la chauve-souris de détecter une proie, et de savoir dans quelle direction et à quelle vitesse relative elle se déplace. Exercice 21 1.a. La présence d une tâche principale sur l écran est due au phénomène de diffraction. 1.b.. 2.a. Cf. cours 2.b. Les ondes lumineuses passant par deux fentes d Young différentes peuvent aboutir en un même point de l écran d observation grâce au phénomène de diffraction qui élargit les faisceaux émergents. 2.c. Ces ondes peuvent interférer car elles sont cohérentes. 2.d. La zone dans laquelle on observe des interférences est la zone de superposition des deux faisceaux. Cette zone a une largeur égale à deux demi-largeurs des tâches principales de diffraction, soit une largeur égale à l. Pour que la figure d interférences soit suffisamment étalée, il faut donc que les deux fentes d Young soient les plus fines possibles. 3. L interfrange est inversement proportionnel à la distance entre les deux fentes. Il faut donc que cette distance soit la plus petite possible. 4. L interfrange, comme la largeur de la tâche principale de diffraction, sont proportionnelles à la longueur d onde de la source utilisée. Or un LASER vert émet un rayonnement de longueur d onde plus faible qu un LASER rouge. Par conséquent, l interfrange et la largeur de la figure d interférence seront plus petits avec le LASER vert qu avec le LASER rouge. Exercice 22 1.a. L image d une étoile ponctuelle n est pas ponctuelle sur le capteur en raison de la diffraction due à la monture de la lunette astronomique. 1.b. Plus le diamètre de la monture de la lunette est important, moins le phénomène de diffraction sera marqué. 2.a. La galaxie étudiée s éloigne de nous. Par conséquent, en raison de l effet Doppler, la fréquence perçue de la raie Balmer est plus faible qu en laboratoire. La position de la raie Balmer n est donc pas la même dans le spectre de la galaxie qu en laboratoire. 2.b. 2.c. 2.d... Les mesures sont cohérentes avec le décalage spectral donné dans le catalogue Messier.!!! Il faut reprendre les valeurs intermédiaires, sans prendre en compte les chiffres significatifs, pour retrouver cette valeur!!!

5 Exercice a. 2.b. 2.c. 2.d. 3.a. ( ) 3.b. 3.c. 3.d. ( ) ( ). La vitesse du véhicule est faible devant la célérité du son. Par conséquent, on peut faire l approximation ( ) ( ) Exercice Le phénomène physique exploité dans cette technique médicale est l effet Doppler. 2.a. Le trajet de l onde se fait en deux temps : De la sonde au globule rouge : Le récepteur (globule rouge) est en mouvement, avec une vitesse par rapport à la sonde. On a alors ( ) ( ) Du globule rouge à la sonde : L émetteur (globule rouge) est en mouvement, avec une vitesse par rapport à la sonde. On a alors 2.b. D où la fréquence du signal reçu par la sonde : La vitesse de déplacement d un globule rouge est très faible devant la célérité des ultrasons dans le sang. On peut donc effectuer les approximations d usage : ( ) ( ) ( ) D où ( ) rq : vitesse artérielle maximale 3.a. ( ) ( ). 3.b. 3.c. Cette méthode a une incertitude de 10 %. Elle ne permet que de donner des ordres de grandeur. Exercice Le phénomène de diffraction est plus marqué avec un son grave qu avec un son aigu. Le son grave est donc mieux entendu que le son aigu. 2. La longueur d onde de la lumière est beaucoup plus faible que la longueur d onde associée au son. Le pilier est alors un obstacle trop important pour pouvoir diffracter la lumière.

6 Exercice La déviation de la lumière est due à sa diffraction par chacune des fentes. 2.a. } 2.b. Pour qu il y ait interférences constructives, il faut que le déphasage soit un multiple de 3.a. Deux fentes consécutives sont toujours séparées d une distance d. La condition établie à la question 2.b. reste donc valable. 3.b. Le fait de multiplier les fentes donne une image plus nette sur l écran. L intérêt d un tel dispositif est donc d avoir une meilleure résolution. 3.c. La dimension caractéristique d une figure d interférences (l interfrange) dépend de la longueur d onde de l onde incidente. Par conséquent, lorsqu un dispositif interférentiel est éclairé en lumière blanche, on observe des irisations. Ce phénomène de dispersion est amplifié en utilisant un réseau, qui permet donc de réaliser un spectre lumineux.