CHAPITRE. Les ondes et la lumière CORRIGÉ DES EXERCICES

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1 CHAPITRE Les ondes et la lumière CORRIGÉ DES EXERCICES

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3 . Les ondes Exercices SECTION.. Parmi les énoncés suivants, lequel est vrai? A. Un canard flotte sur l eau calme d un lac. Lorsqu une vague arrive, le canard monte et descend. Après le passage de la vague, il se retrouve au même endroit. B. Si l on connaît l amplitude et la vitesse d une onde, il est facile de trouver sa longueur d onde. C. Une série d ondes mécaniques peut engendrer un tremblement de terre. PHYSIQUE C H A P I T R E 2 2. Observez l illustration suivante. Amplitude (m) Déplacement (m) a) Tracez une onde dont l amplitude est le double de celle de l onde illustrée. Amplitude (m) Déplacement (m) CHAPITRE LES ONDES ET LA LUMIÈRE EXERCICES 9

4 b) Tracez une onde dont la longueur d onde est le double de celle de l onde illustrée. Amplitude (m) Déplacement (m) 3 3. Le sommet de la plupart des gratte-ciel oscille lentement. Quelle est la fréquence d un gratte-ciel qui met 0 s à effectuer un mouvement complet de va-et-vient? f = vibration 0 s 0, vibration = s = 0, Hz Sa fréquence est de 0, Hz. 4. Les deux ondes ci-dessous voyagent à la même vitesse. Onde A Onde B a) Laquelle de ces ondes a la plus grande amplitude? L onde A. b) Laquelle a la plus grande longueur d onde? L onde B. c) Laquelle a la plus grande fréquence? L onde A. 20 L OPTIQUE EXERCICES

5 5. Une élève mesure le déplacement d un point d une onde entre une crête et un creux. Elle divise ensuite le résultat par deux. Obtient-elle une mesure correcte de l amplitude de cette onde? Expliquez votre réponse. Oui, car le résultat est le même que celui obtenu en mesurant la distance entre la position au repos et une crête ou entre la position au repos et un creux. 6. Une personne vérifie son pouls et compte 78 battements en minute. Quelle est la fréquence des battements de son cœur en hertz? PHYSIQUE C H A P I T R E f = 78 battements 60 s,3 battement = s =,3 Hz Le cœur de cette personne bat à une fréquence de,3 Hz Assise dans un canot, sur un lac, Sarah regarde les vagues venir vers elle. Elle note que, sur la longueur totale du canot, soit 4,5 m, elle peut compter 5 vagues complètes. Elle mesure qu'une vague prend 5,5 s pour parcourir toute la longueur du canot. Quelle est la fréquence des vagues?. f =? 2. Nombre de vagues = 5 Longueur = 4,5 m Temps = 5,5 s 3. v d = t v =λf D'où f = v λ 4. v = 4,5 m 5,5 s = 0,88 m /s λ = 4,5 m 5 = 0,3 m 0,88 m /s f = 0,3 m = 2,73 Hz 5. La fréquence des vagues est de 2,7 Hz. CHAPITRE LES ONDES ET LA LUMIÈRE EXERCICES 2

6 6 8. Devant son réveille-matin, Julien s exclame : «Je peux te voir, alors pourquoi ne puis-je pas t entendre?» Expliquez pourquoi Julien ne peut pas entendre l alarme de son réveille-matin. Le réveille-matin de Julien est placé dans une cloche de verre sous vide. Les ondes mécaniques, telles que le son, ne se propagent pas dans le vide, tandis que les ondes électromagnétiques, telles que la lumière, peuvent se déplacer dans le vide À quelle catégorie d ondes les éléments suivants appartiennent-ils? Élément Ondes mécaniques Ondes électromagnétiques Un lecteur de code-barres X Le tonnerre X La foudre X Un arc-en-ciel X Un ouragan X L énergie thermique X Les ultrasons X 0. Le 2 juillet 969, Neil Armstrong a été le premier astronaute à mettre le pied sur la Lune. C'est alors qu il a énoncé la phrase célèbre : «Un petit pas pour l'homme, un grand pas pour l'humanité.» La Lune étant située à 3, km de la Terre et les ondes radio voyageant à 3,0 0 8 m /s, en combien de temps la communication radio a-t-elle atteint la Terre après avoir été émise par M. Armstrong?. t =? 2. d = 3, km ou 3, m v = 3,0 0 8 m /s 3. v = d t D où t = d v 4. t = 3,84 08 m 3,0 0 8 m /s =,28 s 5. La communication radio a atteint la Terre en,3 s. 22 L OPTIQUE EXERCICES

7 .2 La lumière. Quelle est la couleur des infrarouges? Les infrarouges sont invisibles à l œil humain. Exercices 2. Quelle preuve avons-nous du fait que la lumière peut voyager dans le vide? Nous pouvons voir le Soleil, la Lune et les étoiles. SECTION.2 PHYSIQUE C H A P I T R E 3. Qu obtiendrez-vous en multipliant la fréquence d une couleur de la bande de la lumière visible par sa longueur d onde? La vitesse de la lumière Les illustrations suivantes montrent deux façons de représenter graphiquement la lumière. A B a) Que représentent les traits jaunes? Dans l illustration A, les traits jaunes représentent les crêtes de l onde qui se propage. Dans l illustration B, les traits jaunes représentent la direction de la propagation de l onde. b) Quelle est la direction de l énergie transportée par l onde de lumière par rapport aux traits jaunes? Dans l illustration A, l énergie se propage de façon perpendiculaire aux traits jaunes. Dans l illustration B, le déplacement de l énergie est parallèle aux traits jaunes. c) Vrai ou faux? Lorsque la source est très éloignée, les fronts d onde et les rayons lumineux deviennent des lignes droites parallèles entre elles. Expliquez votre réponse. Faux. Les fronts d onde et les rayons lumineux sont toujours perpendiculaires les uns aux autres. CHAPITRE LES ONDES ET LA LUMIÈRE EXERCICES 29

8 5. Parmi les illustrations suivantes, laquelle représente le mieux les rayons du Soleil tels que nous les recevons sur Terre? Expliquez votre réponse. A B C L illustration C. Les rayons lumineux provenant d une source très éloignée nous parviennent de façon parallèle Pour chaque objet, indiquez s il constitue un milieu opaque, translucide ou transparent. Objet Milieu Un vase en terre cuite Opaque Une boîte de carton Une feuille de papier blanc Un pare-brise d auto De la crème de brocoli La surface vitrée ou plastifiée d un écran d ordinateur Un miroir à maquillage Un vêtement de soie Un lingot d or L air ambiant Opaque Translucide ou opaque Transparent Opaque Transparent Opaque Translucide ou opaque Opaque Transparent 5 6 Une fenêtre givrée Un trou dans une chaussette de laine noire Translucide Transparent 7. Pourquoi la lumière est-elle réfléchie lorsqu elle frappe une feuille de papier d aluminium polie? La lumière est réfléchie parce qu elle atteint une surface opaque, lisse et brillante. 8. Lorsque la lumière passe d un milieu transparent à un milieu opaque, peut-elle être réfractée? Expliquez votre réponse. Non, car la lumière sera absorbée ou réfléchie à la surface du milieu opaque. 30 L OPTIQUE EXERCICES

9 Exercices sur l ensemble du chapitre. Un téléphone cellulaire émet à la fréquence de 854 MHz. À quel type d ondes électromagnétiques cette fréquence appartient-elle? Il s agit de micro-ondes. 2. Qu arrive-t-il à la longueur d onde et à la fréquence d une onde électromagnétique lorsque son amplitude diminue? Ces quantités demeurent inchangées, car elles ne dépendent pas de l amplitude. ENS. CHAP. PHYSIQUE C H A P I T R E 3. À partir des données de la figure suivante, trouvez l amplitude, la longueur d onde, la fréquence et la vitesse de l onde. 24 mm 8 mm 0 mm 24 mm Amplitude = 2 = 2 mm Longueur d onde = 0 mm 2 = 20 mm 8 mm Vitesse = 2 s = 4 mm/s L amplitude est de 2 mm. v = λf D où f = v λ Fréquence = 4 mm/s 20 mm = 0,2 Hz La longueur d onde est de 20 mm. La fréquence est de 0,2 Hz. La vitesse est de 4 mm/s. CHAPITRE LES ONDES ET LA LUMIÈRE EXERCICES 33

10 4. Comme les émissions radio et télé sont émises par des ondes radio, elles peuvent se propager dans le vide intersidéral à la vitesse de la lumière, soit 3,0 0 8 m/s. Supposons qu il existe une civilisation extra - terrestre sur une planète située à 9,0 0 8 m de la nôtre. Dans combien de temps commencera-t-elle à recevoir nos émissions?. t =? 2. v = 3,0 0 8 m/s d = 9,0 0 8 m 9, t = 8 m 3,0 0 8 m/s = 3,0 0 0 s 3. v = d t D où t = d v 5. Cette civilisation recevra nos émissions dans 3,0 0 0 s, soit dans environ 950 ans. 5. Les ultraviolets peuvent être subdivisés entre trois groupes : les UVA, dont les longueurs d onde vont de 400 nm à 320 nm, les UVB, qui se situent entre 320 nm et 280 nm, et les UVC, qui peuvent aller jusqu à 00 nm. Auquel de ces groupes appartient une onde électromagnétique dont la fréquence est de 7,9 0 4 Hz? (Indice : la vitesse des ultraviolets est de 3,0 0 8 m/s.). λ =? 2. v = 3,0 0 8 m/s f = 7,9 0 4 Hz 3. v = λf D où λ = v f 3,0 0 8 m/s 4. λ = 7,9 0 4 Hz = 3,8 0 7 m = 380 nm 5. Les ultraviolets mentionnés appartiennent à la catégorie des UVA. 6. Sur quelle fréquence (en MHz) dois-je régler mon poste de radio pour syntoniser une station dont le signal a une longueur d onde de 3 m? (Indice : la vitesse des ondes radio est de 3,0 0 8 m/s.). f =? 2. λ = 3 m v = 3,0 0 8 m/s ou m/s 3. v = λf m/s 4. f = 3 m = Hz ou 00 MHz D où f = v λ 5. Je dois régler mon poste de radio à 00 MHz pour syntoniser cette station. 34 L OPTIQUE EXERCICES

11 Quel groupe d ondes électromagnétiques permet d effectuer chacune des actions suivantes? a) Décongeler ou faire cuire des aliments. Les micro-ondes. b) Voir à l intérieur du corps. Les rayons X. c) Lire un livre. La lumière visible. d) Maintenir au chaud les poussins d une couvée. Les infrarouges. PHYSIQUE C H A P I T R E e) Soigner certains cancers. Les rayons gamma. f) Converser avec un téléphone cellulaire. Les micro-ondes. 8. Au cours d un tremblement de terre, un séismographe enregistre des ondes sismiques dont la vitesse est de 5 km/s et la fréquence, de 0 Hz. Quelle est leur longueur d onde?. λ =? 2. v = 5 km/s ou 5000 m/s f = 0 Hz 5000 m/s 4. λ = 0 Hz = 500 m 3. v = λf D où λ = v f 5 5. Les ondes sismiques de ce tremblement de terre ont une longueur d onde de 500 m. 9. Dans une représentation de la lumière sous forme de fronts d onde, la fréquence est-elle plus élevée lorsque les traits sont plus rapprochés? Expliquez votre réponse. Oui. La distance entre les traits représente la longueur de l onde. Comme la longueur d onde est inversement proportionnelle à la fréquence, plus les traits sont rapprochés, plus la fréquence est élevée. CHAPITRE LES ONDES ET LA LUMIÈRE EXERCICES 35

12 0. Un diapason émet un son (un «sol») dont la longueur d'onde est de 0,875 m. Si le son voyage à 343 m /s dans l'air, quelle est sa fréquence?. f =? 2. λ = 0,875 m v = 343 m/s 343 m/s 4. f = 0,875 m = 392 Hz 3. v = λf D où f = v λ 5. La fréquence du son émis est de 392 Hz.. Les crêtes de l'onde représentée sur l'illustration suivante se déplacent de 5,0 m en 4,0 s. Quelle est la fréquence de cette onde? 0,4 y (m) 0,2 0,0-0,2 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 3,5 x (m) -0,4. f =? 2. d = 5,0 m t = 4,0 s 3. v d = t v = λf D où f = v λ 4. Sur l'illustration, on calcule la distance entre deux points symétriques de l'onde et on obtient la longueur d'onde, soit λ = 0,5 m. 5,0 m v = 4,0 s =,25 m /s,25 m/s f = 0,5 m = 2,5 Hz 5. La fréquence de l'onde est de 2,5 Hz. 36 L OPTIQUE EXERCICES

13 2. Michelle est en exploration dans la région du Pôle Nord et parle à une amie à Gatineau à l'aide d'un téléphone satellitaire. Quel est le décalage dans le temps entre ce que dit Michelle et le moment où son amie l'entend? (Les satellites géostationnaires servant aux communications sont en orbite à km d'altitude.). t =? 2. d = km ou 3, m v = 3,0 0 8 m /s (vitesse des ondes radio) 3. v = d t D où t = d v 4. Pour effectuer le trajet Terre-satellite et satellite-terre : 3,58 0 t = 7 m 2 3,0 0 8 m /s = 0,9 s 2 = 0,238 s PHYSIQUE C H A P I T R E 5. Le décalage est de 0,24 s. 3. L'énergie d'une onde électromagnétique est proportionnelle à sa fréquence. Comment varie l'énergie dans le spectre visible en passant du rouge au violet? Comme la fréquence du violet est plus grande que celle du rouge, l'énergie augmente continuellement en passant du rouge au violet. 4. Pourquoi un toit noir devient-il plus chaud au soleil qu'un toit blanc? Un toit noir réfléchit peu la lumière qui l'atteint : il l'absorbe. L'énergie des ondes lumineuses est ainsi absorbée par la surface noire. Dans le cas du toit blanc, la lumière étant surtout réfléchie, peu d'énergie est alors absorbée. 5. Pourquoi la vitre d'une fenêtre agit-elle comme un miroir la nuit et non le jour? La vitre d une fenêtre laisse toujours passer une partie importante de la lumière qui l'atteint et en réfléchit le reste. Le jour comme la nuit, la proportion de lumière réfléchie demeure la même; cependant, le jour, la lumière provenant de l'extérieur est beaucoup plus intense que celle qui est réfléchie de l'intérieur. La lumière provenant de l'extérieur masque ainsi la lumière réfléchie et nous empêche de la voir. CHAPITRE LES ONDES ET LA LUMIÈRE EXERCICES 37

14 Défis. Lorsque la lumière passe perpendiculairement de l air au verre (et vice-versa), 4 % des rayons sont réfléchis et le reste est transmis. Quel pourcentage d un faisceau lumineux atteignant perpendiculairement une fenêtre en ressortira de l autre côté? Lorsque la lumière passe de l air au verre, 4 % des rayons sont réfléchis et 96 % sont transmis. Lorsque la lumière passe du verre à l air, 4 % de ces 96 % sont réfléchis (soit 3,8 %) et le reste est transmis, ce qui laisse 92,2 %. On trouvera 92 % de la lumière de l autre côté de la fenêtre. 2. Les ultrasons sont des ondes sonores de haute fréquence. Ils se propagent dans l eau à la vitesse de,50 km/s. Si la longueur d onde d une onde ultrasonique dans l eau est identique à celle d une onde lumineuse dont la fréquence est de 2, Hz dans le vide, quelle est sa fréquence? (Indice : la vitesse de la lumière dans le vide est de 3, m/s.). f 2 =? (fréquence de l onde ultrasonique) 2. v 2 =,50 km/s, soit, m/s (vitesse de l onde ultrasonique dans l eau) f = 2, Hz (fréquence de l onde lumineuse dans le vide) v = 3, m/s (vitesse de la lumière dans le vide) 3. v = λf 4. Puisque l onde lumineuse et l onde ultrasonique ont la même longueur d onde, je peux poser que : λ = λ 2. Je cherche d abord la longueur d onde de l onde lumineuse. v λ = f = 3,00 08 m/s 2, Hz =, m Je peux maintenant trouver la fréquence de l onde ultrasonique. v 2 f 2 = λ 2 =,50 03 m/s, m =, Hz 5. La fréquence de cette onde ultrasonique est de, Hz (ou de 250 MHz). 38 L OPTIQUE EXERCICES