3) ω=6,3 10 rad.s -1. 4) k=3,14 rad.m On donne le schéma suivant :

Transcription

1 PACES 2017 UE3 PHYSIQUE TRAVAUX DIRIGÉS D ONDE ET OPTIQUE TD N 1 1) Exercices ondes et réfraction Exercice 1 : Ondes Pour une onde lumineuse dans le vide et de longueur d'onde λ= 428 nm, déterminez sa période temporelle T, sa 8 pulsation ω et l énergie d un photon de même longueur d onde (en Joule et en ev). On donne c=3 10 m/s et h = -34 6, J.s Exercice 2 : Spectre électromagnétique A quelle gamme spectrale appartiennent les ondes électromagnétiques suivantes ayant : 18 1) ν= 0,6 10 Hz, -15 2) Τ=1,010 s, ) ω=6,3 10 rad.s -1 4) k=3,14 rad.m On donne le schéma suivant : Exercice 3 : Les photons Calculer la longueur d onde et la fréquence associées à un photon d énergie 650 kev. Exercice4 : Un verre a un indice de réfraction nr=1,595 pour la lumière rouge et nv=1,605 pour la lumière violette. Un rayon de lumière, qui contient ces deux couleurs, se propage dans ce verre et arrive à la surface de séparation avec l air sous une incidence de 35 par rapport à la normale. nair=1. a. b. c. Calculer l angle par rapport à la normale fait par le rayon émergeant dans l air pour les deux couleurs. Une fois dans l'air, les rayons rouge et violet font, entre eux, un angle α ; calculer cet angle α. Calculer l angle limite de réflexion totale dans le verre pour ces deux couleurs. Exercice 5 : Quel est l angle d incidence minimum pour la réflexion totale à l interface entre l eau et le glycerol d indices respectifs 1,33 et 1,47? Dessiner la marche des rayons lumineux. Exercice 6 : Indice de réfraction L indice de réfraction, n, d un matériau est défini par rapport à la vitesse de propagation, v, de la lumière dans ce matériau tel que : n=c/v avec c, la vitesse de la lumière dans le vide. Sachant que la pulsation, ω, de la lumière reste constante quelque soit le matériau considéré, déterminer la relation entre les longueurs d onde λ d une même onde de lumière se propageant dans deux matériaux différents d indice optique n1 et n2. Exercice 6 La figure montre un rayon lumineux tombant perpendiculaire sur la face ab d un prisme en verre d indice nv=1,52 d angle β = 44. a)le prisme est dans l air (nair = 1). Montrer que le rayon réfléchira totalement sur la face ac. 1

2 2 b) Le prisme baigne dans l eau (n eau =1,333). Calculer l angle de réfraction du rayon sortant par la face ac. QCM ondes et réfraction QCM1 : Soient deux miroirs M1 et M2 formant un angle de 100 entre eux. Un rayon de lumière arrive sur M1 faisant un angle de 20 avec M1 (voir figure). M2 20 M1 100 A. Le rayon émergeant de M2 forme un angle de 70 avec M2 B. Le rayon émergeant de M2 forme un angle de 60 avec M2 C. Le rayon émergeant de M2 forme un angle de 40 avec M2 D. Le rayon émergeant de M2 forme un angle de 20 avec M2 QCM 2 : :L indice de réfraction n, d un matériau est défini par rapport à la vitesse de propagation v, de la lumière dans ce matériau, tel que n=c/v. Soit une onde lumineuse de longueur d onde λ et vecteur d onde k, se déplaçant d un milieu d indice optique n 1 vers un milieu d indice optique n 2 (λ 1,v 1, k 1 dans le milieu d indice n 1 et λ2,v 2, k 2 dans le milieu d indice n 2 ). Sachant que la pulsation w de la lumière reste constante quel que soit le matériau considéré, la (les) quel(les) des relations suivantes est (sont) correcte(s)? A. λ 1 /n 2 = λ 2 /n 1 B. λ 1/λ 2 = n 1 /n 2 C. λ 1/λ 2 = v 1 /v 2 D. n 1 /k 1 = n 2 /k 2 QCM3 : Parmi les affirmations suivantes, la (les) quelle(s) est(sont) vraie? La conception de la fibre optique utilisée pour les endoscopes est basée sur : A. La dualité Onde-corpuscule B. La relation d Einstein-Planck C. La loi de Snell-Descartes D. La diffraction de deux ondes lumineuses Aucune des propositions précédentes n est exacte. QCM 4 :Parmi les affirmations suivantes, la (les) quelle(s) est(sont) vraie(s)?

3 3 A. La longueur d onde augmente quand l énergie associée à cette onde augmente. B. La fréquence d une onde augmente quand l énergie associée à cette onde augmente. C. La longueur d onde diminue quand l énergie associée à cette onde augmente D. La fréquence d une onde augmente quand l énergie associée à cette onde diminue. QCM 5 : Lorsqu une lumière blanche arrive sur un prisme, on observe une décomposition de cette lumière. Parmi les affirmations suivantes, la (les) quelle(s) est(sont) vraie(s)? A. Cette décomposition est due à la relation entre l indice optique du prisme et la fréquence de la lumière. B. L indice optique du prisme varie en fonction la puissance de l onde incidente. C. La déviation de la lumière à travers le prisme est inversement proportionnelle à la longueur d onde de la lumière. D. La couleur verte est plus déviée que la couleur rouge. QCM 6 : Soit une onde électromagnétique se déplaçant à la vitesse de km/s. Quelle est sa longueur d onde λ? A) 3, m B) 1 km C) 1 m D) km E) On ne peut pas la calculer car elle dépend également de sa fréquence QCM 7 :Si on suppose que la vitesse de la lumière est divisée par 2 en pénétrant dans un milieu d indice n, quelle est alors la valeur de son indice de réfraction n? A 0.33 B C 3 D 1,5 E 2 QCM 8 :Les rayons X sont des ondes électromagnétiques de longueurs d onde comprises entre 10-2 nm et 10 nm. Parmi les ondes ayant les caractéristiques ci-dessous, laquelle (lesquelles) peut (peuvent) être considérée(s) comme des rayons X? On donne la vitesse de la lumière dans le vide, c= ms -1. A) Les ondes de fréquence, ν= Hz B) Les ondes de fréquence, v= Hz C) Les ondes de période, T : s D) Les ondes de période, T= s E) Les ondes de pulsation, ω= rad/s QCM 9 : Soit un faisceau lumineux arrivant sur une interface entre deux milieux d indices optiques différents, avec un angle d incidence inférieur à 45. Si l on double l angle d incidence du faisceau lumineux, alors, l angle du faisceau lumineux réfracté sera A) Doublé B) Triplé C) Divisé par 2 D) Divisé par 3 E) Aucune bonne réponse QCM 10 : On considère un rayon lumineux dans l'air (n 0 =1) arrivant sur une surface plane d indice n=2. Le faisceau lumineux arrive avec un angle de 60 par rapport à la normale à la surface. Sous quel angle r par rapport à la normale le faisceau sera-t-il réfracté? (Données : Sin(60 )=0,866 ; Arcsin(0.433)=25,66 ; Arcsin(0.2165)=12,5 ; Sin(30 )=0,5 ; Arcsin(1,00)=90 ) A 25,7 B 12,5 C 90 D 30 E Il n'y aura pas réfraction mais réflexion totale QCM 11 : Un faisceau lumineux évoluant dans un milieu d indice n, arrive sur l interface avec l eau avec un angle

4 4 d incidence θ=41,68. Calculer l indice du milieu en sachant que le faisceau sort en rasant l interface. (n eau =4/3) On donne cos 41,68 = 0,747 ; sin 41,68 = 0,665 ; tan 41,68 =0,890 A 1,5 B 1 C 0,6 D 1,187 E 2 QCM 12 :Soit un prisme d indice optique n=1,5. Le faisceau lumineux arrive à l interface entre l air et le verre au point I, traverse le prisme, et sort du prisme au point J. B Α=90 B= 45 C= 45 I J a d c b A C Données : sin 45 =0,7 ; sin 90 = 1 ; sin 0 =0 ; sin 28 =0,47 ; sin 60 =0,87 ; arc sin 0,92=67 ; arc sin 0,61=37,5 ; arc sin 0,77=50,4 ; arc sin 0,87=60 ; arc sin 0,71=45 ; n(air)=1 QUESTION N 12 A Parmi les propositions suivantes, la(les) quelle(s) est(sont) vraie(s)? A) l angle d incidence en I vaut 90 B) l angle d incidence en I vaut 0 C) l angle d incidence en J vaut 90 D) l angle d incidence en J vaut 45 E) l angle d incidence en J vaut 0 QUESTION N 12 B Le faisceau lumineux sortant en J est : A) a B) b C) c D) d E) Aucun de ces faisceaux n est correct QCM 13 : Un dioptre plan sépare l air d un milieu d incidence n=1,5. Pour quelle valeur de l angle d incidence i le rayon réfléchi est il perpendiculaire au rayon réfracté? Le faisceau de lumière va du milieu d indice n vers l air On donne arc tan (1,5)= 56,3, arc sin (0,667)= 41,8 ; arc tan (0,667)= 33,7 ; arc cos (0,667)= 48,2 A 56,3 B 33,7 C 45

5 D 41,8 E 48,2 5

6 6 PACES 2017 UE3 PHYSIQUE TD N 2 TRAVAUX DIRIGÉS D ONDE ET OPTIQUE Exercice 1 : Dioptre sphérique Un dioptre sphérique séparant l air (n air = 1) d un milieu d indice n 2 =1,336 a un rayon de courbure de 6 mm. La lumière se propage de l air vers le milieu d indice n 2. Le centre de courbure est dans le milieu n 2. a) Déterminer la position de l image d un point objet situé dans l air, à l infini sur l axe. b) On approche l objet du dioptre pour l amener toujours dans l air à 15 cm du sommet du dioptre. De combien faut-il modifier le rayon de courbure du dioptre pour que la position de l image soit inchangée? Exercice 2 : Lentille Une lentille mince divergente de distance focale image f =-7cm donne une image à 3 cm en avant de la lentille. Déterminer la position de l objet de 1cm et la taille de l image. L image est-elle réelle ou virtuelle? Exercice 3 : L objectif d un appareil photo peut être assimilé à une lentille mince convergente L1 de focale 4 cm. Calculer la hauteur de l image d un édifice de 25 m de hauteur situé à 400 m de l objectif. Exercice 4 : Un objet AB de longueur 1cm est placé perpendiculairement à l axe optique d une lentille mince convergente L 1 à 20 cm en avant de celle-ci. On observe une image réelle A 1 B 1 distante de 60 cm de L 1. a) Calculer la distance focale image de L 1 et la grandeur de l image A 1 B 1. b) On place à gauche de l image A 1 B 1 et à 10cm de cette image une lentille convergente L 2 de distance focale identique à celle de L 1. L image A 1 B 1 constitue-t-elle un objet réel ou virtuel pour L 2? Où se forme l image finale A 2 B 2? Cette image A 2 B 2 est-elle réelle? Exercice 5 : Microscope Un microscope est constitué d un objectif de distance focale image f 1 = 8 mm et d un oculaire de distance focale image f 2 =20 mm. La distance entre le foyer image principal de l objectif et le foyer principal objet de l oculaire est Δ = 16 cm. L image A 2 B 2 de l objet AB (une hématie de taille 7,7 µm) à travers le microscope est nette pour un observateur à vue normale regardant à l infini sans accommoder. 1) Quelle est la position de l image intermédiaire A 1 B 1 de l objet donné par l objectif? 2) Calculer la position de l hématie par rapport à l objectif. 3) Calculer le grandissement, γ, de l objectif. Quelle est la taille de l image intermédiaire A 1 B 1 de l hématie formée par l objectif. 4) Calculer la puissance intrinsèque, P, et le grossissement commercial, G, du microscope. Exercice 6 : Interférences de deux ondes EM synchrones Deux fentes distantes de 400 mm sont placées à 1 m d un écran. Si la distance entre la frange centrale et la frange suivante est de 1 mm quelle est la longueur d onde de la lumière utilisée? Exercice 7 : : Interférences de deux ondes EM synchrones Deux fentes étroites sont éclairées au moyen d un faisceau lumineux dont la longueur d onde est 500 nm. Deux maxima successifs au voisinage du centre de la figure d interférence sont séparés par un angle de 1,5. Quelle est la distance entre les fentes? QCM dioptres et lentilles QCM 1 :Soit une lentille mince. Un objet de 5 cm de hauteur est situé avant la lentille, à une distance de 4 cm. Son image fait une taille de 10 cm et elle est située aussi avant la lentille. Calculer la distance focale image f de la lentille. A) 8 cm B) - 8 cm C) -2,6 cm D) + 2,6 cm E) Aucune des propositions précédentes n est exacte QCM2 : On considère un dioptre sphérique séparant deux milieux d indice optique n 0 et n : l air (n 0 =1) et le verre (n=1,5). Un objet est situé dans l air à 0,03 m du sommet du dioptre, avant le dioptre. La distance de l image formée et le sommet du dioptre est +22,5 mm. Quel est le rayon de courbure de ce dioptre, en cm?

7 7 A. -1 B. +1 C. -0,5 D. +0,5 QCM 3 : Parmi les affirmations suivantes, la (les) quelle(s) est(sont) fausse? Le laser est un instrument optique utilisé en médecine car : A. La lumière est émise sous forme d un faisceau parallèle très peu divergent. B. La fréquence de l onde émise est très précise. C. L énergie absorbée peut provoquer des réactions chimiques. D. Le rayonnement émis peut être dans le domaine de l ultra-violet. E. La puissance de son rayonnement peut aller jusqu à 10 9 V. QCM 4 On considère une lentille divergente de distances focale image f', et objet f, égales à-2 cm et +2 cm respectivement. Quelle est la position de l'objet AB, en cm, dont l image A B est située à +1 cm du sommet de la lentille? A. - 0,5 B. 0,5 C. à l infini D. 0,667 E. - 0,667 QCM 5 Soit une onde lumineuse dans le vide de longueur d'onde λ= m. Quelle(s) est (sont) la(les) proposition(s) exacte(s)? (On donne la vitesse de la lumière dans le vide, c= m.s -1 et la constante de Planck, h=6, J.s) A. Sa fréquence vaut 3 Hz. B. Sa fréquence vaut s -1. C. Sa période temporelle vaut 0,3 s. D. Sa période temporelle vaut s E. L énergie d un photon de même longueur d onde vaut 6, ev. QCM 6: Soient deux sources S1 et S2, séparées l une de l autre par une distance a, émettant deux ondes de même fréquence ν et synchrones. Considérons un écran positionné à une distance D des deux sources, tel que la distance a soit très inférieure à la distance D. Parmi les propositions suivantes concernant les interférences, lesquelles sont vraies? A. Le déphasage entre les deux ondes mesuré sur un point de l écran est donné par la différence de chemin parcouru par les ondes. B. L intensité sur un point de l écran varie entre I 0 et 4I 0, I 0 étant l intensité de chaque onde. C. La distance entre 2 franges claires (interfrange) sur l écran est proportionnelle à D/a. D. La distance entre 2 franges claires (interfrange) sur l écran est proportionnelle à a/d. E. Aucune des propositions précédentes n est exacte QCM 7 Le œil (figure) peut être considéré comme un système optique avec plusieurs dioptres. Parmi les propositions suivantes concernant l œil comme système optique, la(les) quelle(s) est(sont) vraie(s)? A. Un des dioptres a comme milieux l air et le cristallin B. Un des dioptres a comme milieux le cristallin et le corps vitré C. Pour un œil normal, le Ponctum Proximum se situe à 35 cm devant l œil D. Pour un œil hypermétrope, l image d un objet situé au Ponctum Remotum est située en arrière de la rétine. E. Aucune des propositions précédentes n est exacte

8 8 QCM 8: Soit une onde lumineuse de longueur d onde λ et d intensité lumineuse I 0, arrivant sur une ouverture de dimension a. Un écran est placé à une distance D de l ouverture de dimension a. Parmi les propositions suivantes concernant la diffraction la(les)quelle(s) est (sont) vraie(s)? A. L intensité des franges de diffraction décroit lorsqu on s éloigne du centre de l écran. B. L intensité des franges de diffraction reste constante lorsqu on s éloigne du centre de l écran. C. La distance entre 2 franges sombres est λd/a. D. La distance entre 2 franges claires est D/λa. E. Aucune des propositions précédentes n est exacte QCM 9 On considère une lentille convergente de distances focale image, f', et objet, f, égales à 20 cm et -20 cm respectivement. Calculer la position de l'image A'B' d'un objet AB situé à -20 cm à l'avant de la lentille (objet réel)? A. +30 cm B. -10 cm C. -30 cm D. +60 cm E. à l infini QCM 10 On considère une lentille divergente de distances focale image, f', et objet, f, égales à -10 cm et +10 cm respectivement. Calculer la position de l'image A'B' d'un objet AB situé à +20 cm à l'arrière de la lentille (objet virtuel)? A +30 cm B +20 cm C -20 cm D -30 cm E à l infini QCM 11 Concernant le laser : A. son rayonnement est toujours dans le domaine du visible B. son rayonnement est toujours dans le domaine des ultra-violets C. sa puissance est comprise entre les millivolts et les gigavolts D. pour créer une inversion de population, il faut exciter les atomes se trouvant à l état fondamental. E. on augmente l intensité du rayonnement en remplaçant les miroirs de la cavité par des lentilles convergentes QCM 12 On considère des étoiles rayonnant comme des corps noirs : couleur rouge jaune bleue Fréquence (10 14 Hz) 4,41 5,17 6,12 Longueur d onde (nm) A) La couleur des étoiles dépend de leur composition chimique

9 9 B) Les étoiles rouges ont une température plus importante que les étoiles bleues C) Les étoiles bleues sont une température plus importante que les étoiles rouges D) La couleur des étoiles dépend de leur distance à la Terre E) Aucune bonne réponse QCM 13 La correction d un œil hypermétrope nécessite l utilisation A. d un dioptre sphérique dont le foyer objet coïncide avec le cristallin B. d une lentille divergente C. d une lentille convergente D. d un système de deux lentilles, une convergente et une divergente E. aucune bonne réponse QCM 14 L image obtenue par une lentille convergente de distance focal de 10 cm se situe à 5 cm en avant de la lentille. L objet qui donne cette image est : A. virtuelle B. à l infini C. se situe à 10 cm avant la lentille D. se situe à 10 cm après la lentille E. se situe à 3,3 cm avant la lentille QCM 15 À propos ondes et de l optique géométrique, quelle ou quelles propositions sont exactes? A la lumière est une onde électromagnétique B Un dioptre est une interface entre deux milieux d indice optique différent C Tous les faisceaux lumineux partant du foyer objet d une lentille convergente forme une image sur le foyer image de cette même lentille D La réfraction d un rayon lumineux est régie par la relation de Snell-Descartes. E Considérées comme des corps noirs, la couleur observée des étoiles peut s expliquer par la loi de Gauss.