Collège des Soeurs des Saints Coeurs Classe : EB9 ( A B ) Bauchrieh Date : mercredi 24 novembre 2010. Durée : 60 min. Physique Nom et numéro d ordre :. I. Réfraction de la lumière. ( 5 pts ) On donne : la célérité de la lumière dans l air est c = 300 000 km/s. La vitesse de propagation de la lumière dans l eau est V eau = 250 000 km/s. a) Calculer l indice de réfraction n eau de l eau. b) L eau est- elle plus réfringente ou moins réfringente que le verre d indice de réfraction n verre = 1,5? c) L angle limite de réfraction du système ( verre eau ) est de 62º. 1 La lumière incidente se trouve dans l eau. Dans ces conditions, la réfraction est elle toujours possible? Justifier la réponse. 2 Comparer, dans ce cas, les angles d incidence et de réfraction si possible. 3 La lumière incidente se trouve dans le verre. On désigne par i l angle d incidence. On donne successivement à i les valeurs suivantes : 0º ; 62º ; 70º Indiquer, pour chacune des valeurs suivantes de i, si la réfraction est possible. II. La marche d un rayon incident. ( 5 pts ) Un rayon lumineux SI, issu d une source de lumière, peut se trouver dans l air ou dans le verre. On admet que i 1 est l angle d incidence, i 2 est l angle de réfraction et vice versa. Air i 1 0º 10º 20º 30º 50º 60º 70º 90º Verre i 2 0º 7º 13º 20º 30º 36º 39º 42º 1 Quel est l angle limite de réfraction du système verre air? Justifier. 2 Reproduire les figures ci dessous et tracer la marche du rayon correspondant au rayon incident SI. 3 Dans le cas de la figure 2.a, calculer la déviation subie par le rayon incident et la représenter sur le schéma Page 1
III. Nature d une lentille. ( 3 pts ) 1- Indiquer, en le justifiant la nature de chacune des lentilles suivantes. ( L 1 ) ( L 2 ) ( L 3 ) ( L 4 ) F O O O (Foyer image) figure 3.a figure 3.b figure 3.c figure 3.d 2 Reproduire le schéma de la figure 3.b et préciser, en le justifiant la position du foyer objet H de ( L 2 ). IV. Lentilles convergentes coaxiales. ( 4 pts ). On dispose de deux lentilles convergentes ( L 1 ) et ( L 2 ), coaxiales, de centres optiques respectifs O 1 et O 2, de distances focales respectifs f 1 = 20 cm et f 2 = 50 cm. Ces lentilles sont séparées par une distance O 1 O 2 = 70 cm. On désigne par F 1 et F 2 les foyers objet respectifs de ( L 1 ) et ( L 2 ), et par Fʹ1 et Fʹ2 leurs foyers image respectifs. ( L 1 ) ( L 2 ) F 2 F 1 O 1 Fʹ1 O 2 Fʹ2 1 Reproduire le schéma à l échelle 1/10. 2 Que doit être la direction d un rayon incident ( SI ), venant frapper ( L 1 ), pour qu il émerge de ( L 2 ) parallèlement à l axe optique : Tracer la marche et expliquer. 3 Calculer la vergence de ( L 1 ) et de ( L 2 ) et en déduire la vergence du système optique. T.S.V.P Page 2
V. Interprétation physique d une construction géométrique : image d un objet à travers une lentille convergente. ( 3 pts ) On dispose d une lentille convergente ( L ) de distance focale f et de centre optique O. Un objet AB, de 1 cm de taille, est placé perpendiculairement à l axe optique de ( L ), le point objet A appartenant à cet axe. On pose d = OA et dʹ = OAʹ. 3 cm Bʹ ( L ) B O Aʹ F A Fʹ 2cm 3 cm 6 cm 1 Définir la distance focale d une lentille et donner sa valeur. 2 l image AʹBʹ de l objet AB est virtuelle. Justifier. 3 l image AʹBʹ de l objet AB est droite. Pourquoi? 4 La lentille convergente ( L ) joue le rôle d une loupe. Pourquoi? 5 Comparer AB / AʹBʹ et d /dʹ. Interpréter le résultat. Bon travail Page 3
Collège des Soeurs des Saints Coeurs Classe : EB9 ( A B ) Bauchrieh Date : mercredi 24 novembre 2010. Durée : 60 min. Physique ( corrigé ) Réfraction de la lumière. ( 5 pts ) a l indice de réfraction de l eau est : n eau = c / V eau donc n eau = 300 000 / 250 000 = 1,2. ( 1 pt ) b n verre = 1,5 > n eau = 1,2 donc l eau est le milieu le moins réfringent. ( ½ pt ) c 1 la lumière incidente se trouve dans l eau donc elle passe du milieu moins réfringent dans un autre plus réfringent. Dans ce cas, la réfraction est toujours possible. ( 1 pt ) c 2 quand l angle d incidence i augmente, l angle de réfraction r augmente tel que : i > r. ( ½ pt ) c 3 La lumière incidente se trouve dans le verre, donc elle est située dans le milieu le plus réfringent. ( ½ pt) Pour i = 0º, r = 0º et le rayon incident traverse la surface de séparation sans aucune déviation. ( ½ pt) Pour i = 62º, l angle d incidence est égale à l angle limite de réfraction : i = il = 62º et le rayon réfracté rase la surface de séparation. ( ½ pt) Pour i = 70º, l angle d incidence dépasse la limite d incidence qui est de 62º : i = 70º > il = 62º et le rayon incident subit la réflexion totale. ( ½ pt) La marche d un rayon incident. ( 5 pts ) 1 l angle limite de réfraction du système verre- air est 42º car d après le tableau, un rayon lumineux tombant sur le milieu verre sous une incidence de 42º, se réfracte dans l air en faisant un angle de réfraction de 90º.(1pt) 2 - ¾ x4 pts 3 Dans la figure 1 : d = i 1 i 2 = 50 30 = 20º. ( 1 pt) Nature d une lentille. ( 3 pts ) 1 ( L 1 ) est une lentille convergente car son foyer image est du côté opposé que la lumière incidente. ( L 2 ) est une lentille divergente car le rayon émergent dévie en s éloignant de l axe optique. ( L 3 ) est une lentille convergente car le rayon émergent dévie en s approchant de l axe optique. ( L 4 ) est une lentille convergente car c est une lentille à bords minces. ( ½ x 4 ) 2 Le rayon incident tombant parallèlement à l axe optique d une lentille divergente, en émerge en semblant provenir de son image qui est le symétrique du foyer objet H par rapport à son centre optique( ½ pt ) ( ½ pt) Page 4
Lentilles convergentes coaxiales. ( 4 pts ) 1 reproduction. ( ½ pt ) A l échelle 1/10, on a : f 1 = 2 cm ; f 2 = 5 cm ; O 1 O 2 = 7 cm. ( ½ pt) 2 ( 1pt) L 1 L 2 Le rayon qui émerge parallèlement à l axe optique de L 2 tombe nécessairement sur L 2 en passant par son foyer objet F 2. Or, le foyer objet F 2 de L 2 et le foyer image Fʹ1 de L 1 sont confondus, donc ce même rayon représente un rayon lumineux qui émerge de ( L 1 ) en passant par son foyer image Fʹ1, donc il est tombé sur L 1 parallèlement à son axe optique. ( 2 pts ) 3 La vergence V 1 de L 1 est : V 1 = 1/ f 1 donc V 1 = 1/ 0,2 = 5δ et la vergence V 2 de L 2 est V 2 = 1/0,5 = 2δ. La vergence du système optique est : V = V 1 +V 2 = 7δ. ( 1pt) Interprétation physique d une construction géométrique : image d un objet à travers une lentille convergente. ( 3 pts ) 1 la distance focale d une lentille est la distance de son centre otique O à son foyer image Fʹ. ( ½ pt ) Or, OF = OFʹ car le foyer objet et le foyer image sont symétriques par rapport à l axe optique donc OFʹ = f = 3 cm. ( ¼ pt ) 2 l image AʹBʹ de l objet AB est virtuelle car la distance focale de la lentille convergente est supérieure à la distance qui sépare l objet AB de la lentille. ( d < f ) ( ½ pt) 3 l image AʹBʹ est droite car l image AʹBʹ est virtuelle. ( ½ pt ) 4 ( L ) joue le rôle d une loupe car elle donne d un objet AB, une image virtuelle AʹBʹ, droite et plus grande que l objet AB. ( ½ pt ) 5 AB/ AʹBʹ = 1/ 3 et d / d = 2/6 = 1/3 donc AB/AʹBʹ = d/dʹ. ( ½ pt) Donc, le rapport entre la taille d un objet et celle de son image est égale au rapport de la distance qui sépare l objet de la lentille et celle qui sépare l image de la lentille. ( ¼ pt ). M. Mazen HABIB. Page 5
EB9 24 NOVEMBRE 2010-2011 PHYSIQUE Contenu concerné : 1 la réfraction de la lumière. 2 les lentilles minces convergentes et les lentilles minces divergentes. 3 la vergence d une lentille. 4 l image d un objet donné à travers une lentille convergente. ( cours ) Structure de l épreuve : Savoir Réfraction de la lumière : passage d un milieu dans un autre plus réfringent et inversement. Savoir faire 1 Distinguer une lentille convergente d une lentille divergente. 2 Tracer la marche d un rayon lumineux. Les marches des rayons lumineux particuliers à travers une lentille convergente et une lentille divergente. 3 Calculer la vergence d une lentille. 4 Calculer la déviation subie par un rayon incident en passant d un milieu transparent à un autre. Image d un objet à travers une lentille convergente. 5 Calculer l indice de réfraction d un milieu et interpréter. 6 Exploiter une construction géométrique d une image à travers une lentille convergente Page 6