QCM : Bases de l’optique géométrique — 26 questions

Explication

La loi de la réfraction, ou loi de Snell-Descartes, s’écrit $n_1\sin(i_1)=n_2\sin(i_2)$ et le rayon réfracté reste dans le plan d’incidence. L’égalité des angles concerne la réflexion, tandis que la réfraction dépend des deux indices.

Explication

La fibre à gradient d’indice fait varier progressivement son indice selon la distance à l’axe, tandis que la fibre à saut d’indice présente une différence nette entre le cœur et la gaine. Une fibre à saut d’indice ne se définit donc pas par une variation progressive dans le cœur.

Explication

La concavité des rayons lumineux est orientée dans le sens où l’indice optique augmente. Elle n’est donc pas déterminée par une normale à un dioptre, notion propre à une interface donnée.

Explication

Le cône d’acceptance est le cône d’entrée délimité par l’angle limite i, à l’intérieur duquel les rayons peuvent être guidés par réflexions totales. Il ne décrit donc ni une zone de sortie ni une région de la gaine.

Explication

Les rayons empruntent des trajets différents et ont donc des temps de propagation différents, ce qui peut provoquer le chevauchement de deux impulsions en sortie. Des trajets identiques ne produiraient pas cette différence de temps entre modes.

Explication

Un milieu homogène possède les mêmes propriétés et le même indice en tout point, alors qu’un milieu isotrope présente les mêmes propriétés dans toutes les directions. Ces notions décrivent donc respectivement une uniformité spatiale et directionnelle.

Explication

Le plan d’incidence contient le rayon incident ainsi que la normale au dioptre au point A. Le dioptre désigne l’interface entre les milieux et ne doit pas être confondu avec ce plan géométrique.

Explication

La dispersion intermodale limite est définie comme la moitié de l’écart entre le temps du rayon limite et celui du rayon axial, soit $\Delta t_{lim}=\frac{t(n_{lim})-t(0)}{2}$. L’ouverture numérique décrit une capacité d’acceptation des rayons et ne constitue pas cet écart temporel.

Explication

L’aspect corpusculaire représente la lumière comme des photons, tandis que l’aspect ondulatoire la décrit comme une onde. Le modèle ondulatoire ne correspond donc pas à cette représentation en particules.

Explication

La relation $E=h\nu$ montre que l’énergie du photon est proportionnelle à la fréquence. Si la fréquence double, l’énergie double également ; elle ne reste donc pas constante.

Explication

Un rayon lumineux indique la direction et le sens de propagation de l’énergie transportée par la lumière. Il ne décrit pas directement la fréquence d’un photon ni la largeur d’un faisceau.

Explication

Une fibre à saut d’indice possède un cœur d’indice n₁ supérieur à celui de la gaine, d’indice n₂, puis une protection. L’inversion des indices proposée par une autre réponse empêcherait de décrire la structure indiquée.

Explication

Un photon est un grain d’énergie de masse nulle qui se propage dans le vide à la vitesse $c = 3\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$. Il n’a donc ni masse élevée ni vitesse infinie.

Explication

La loi de la réflexion impose que le rayon réfléchi reste dans le plan d’incidence et que son angle vérifie $i'_1=i_1$. Les indices interviennent dans la loi de la réfraction, pas dans cette égalité angulaire.

Explication

La lumière visible ne représente qu’un domaine de fréquence très restreint du spectre électromagnétique. Elle ne constitue donc pas la majeure partie de ce spectre.

Explication

L’ouverture angulaire est reliée à la longueur d’onde et au diamètre par $\sin(\theta)\approx\frac{\lambda}{D}$. Inverser le rapport entre $D$ et $\lambda$ conduirait à une dépendance incorrecte.

Explication

Dans un milieu non homogène, l’indice varie selon la position, ce qui peut courber la trajectoire du rayon lumineux. La propagation en ligne droite est garantie dans un milieu homogène et isotrope, mais pas dans un milieu dont l’indice varie spatialement.

Explication

L’indice optique est défini par le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans le milieu, soit $n=\frac{c}{v}$. Le rapport inverse correspondrait à une grandeur différente, qui est généralement inférieure à 1.

Explication

L’optique géométrique représente les trajets suivis par la lumière en négligeant ses aspects ondulatoire et corpusculaire. La diffraction relève au contraire de l’optique ondulatoire.

Explication

L’ouverture numérique se calcule par $ON=\sqrt{n_1^2-n_2^2}=\sqrt{1{,}50^2-1{,}40^2}\approx0{,}539$. La valeur $0{,}100$ correspond à la différence simple des indices et non à la formule requise.

Explication

L’optique géométrique s’applique lorsque les dimensions des obstacles sont très grandes devant les longueurs d’onde utilisées. Les ouvertures étroites favorisent au contraire des effets de diffraction importants.

Explication

Un milieu transparent est non absorbant : l’énergie transportée par l’onde demeure constante pendant sa propagation. Un milieu absorbant, au contraire, entraîne une diminution de cette énergie.

Explication

Les longueurs d’onde utilisées pour caractériser la lumière sont données dans le vide. Une longueur d’onde mesurée dans un milieu matériel peut différer de cette valeur.

Explication

Les interférences et la diffraction résultent du comportement ondulatoire de la lumière. Les interactions directes avec la matière sont plutôt décrites par le modèle corpusculaire.

Explication

Le modèle de Cauchy décrit la dépendance spectrale par $n(\lambda)=A+\frac{B}{\lambda^2}$, avec $A$ et $B$ positifs. Un indice indépendant de la longueur d’onde caractériserait plutôt un milieu non dispersif.

Explication

Un dioptre est l’interface entre deux milieux d’indices optiques différents, et il est plan lorsque cette interface est plane. Il s’agit donc d’une séparation entre milieux, non d’un rayon ou d’une propriété d’absorption.