QCM : Bases de l’optique géométrique — 21 questions

Question 1

1. Quelle propriété distingue une onde électromagnétique d’une onde mécanique lors de sa propagation ?

Elle se propage dans la matière en transportant de la matière

Elle transporte de la matière sans transférer d’énergie

Elle nécessite un milieu matériel pour transmettre une perturbation

Elle peut se propager dans le vide en transportant de l’énergie

Explication

Une onde électromagnétique correspond à une perturbation des champs électrique et magnétique et peut se propager dans le vide avec transport d’énergie. L’idée qu’un milieu matériel est requis caractérise plutôt les ondes mécaniques.

Answer

Elle peut se propager dans le vide en transportant de l’énergie

Question 2

2. Pour une onde électromagnétique plane progressive monochromatique se propageant dans le vide, quelle relation relie les champs électrique et magnétique ?

\vec{E}=\frac{\vec{u}\wedge\vec{B}}{c}

\vec{B}=\frac{\vec{u}\wedge\vec{E}}{c}

\vec{B}=\frac{c\vec{E}}{\vec{u}}

\vec{B}=c\left(\vec{u}\wedge\vec{E}\right)

Explication

Dans le vide, le champ magnétique vérifie $\vec{B}=\frac{\vec{u}\wedge\vec{E}}{c}$ , où $\vec{u}$ indique la direction de propagation. Les autres expressions modifient le facteur de proportionnalité ou la relation vectorielle.

Answer

$$\vec{B}=\frac{\vec{u}\wedge\vec{E}}{c}$$

Question 3

3. Une onde lumineuse dans le vide a une période $T=2,0\times10^{-15}\ \mathrm{s}$ . Quelle est sa longueur d’onde approximative ?

1,5\times10^{-23}\ \mathrm{m}

1,5\times10^{-7}\ \mathrm{m}

6,0\times10^{23}\ \mathrm{m}

6,0\times10^{-7}\ \mathrm{m}

Explication

La relation $\lambda=cT$ donne $\lambda\approx3,0\times10^8\times2,0\times10^{-15}=6,0\times10^{-7}\ \mathrm{m}$ . La division de la célérité par la période conduirait à une grandeur incompatible avec cette relation.

Answer

$$6,0\times10^{-7}\ \mathrm{m}$$

Question 4

4. Quelle valeur représente exactement la célérité de la lumière dans le vide ?

299792458\ \mathrm{km\,s^{-1}}

299792458\ \mathrm{m\,s^{-1}}

3,00\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}

9,98\times10^7\ \mathrm{m\,s^{-1}}

Explication

La célérité dans le vide est définie exactement par $c_0=299792458\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ , soit environ $3,0\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ . La valeur exprimée en kilomètres par seconde doit être convertie et ne correspond pas à l’unité proposée.

Answer

$$299792458\ \mathrm{m\,s^{-1}}$$

Question 5

5. Quelle description caractérise correctement une lumière polychromatique ?

Elle se propage avec une célérité identique pour chaque radiation

Elle possède une fréquence déterminée comme une radiation unique

Elle associe plusieurs radiations monochromatiques

Elle correspond à une seule radiation de fréquence définie

Explication

Une lumière polychromatique contient plusieurs radiations monochromatiques, tandis qu’une radiation monochromatique possède une fréquence déterminée. Une fréquence unique décrit donc une radiation monochromatique plutôt qu’un ensemble polychromatique.

Answer

Elle associe plusieurs radiations monochromatiques

Question 6

6. Quelle différence décrit correctement l’absorption et la dispersion dans un milieu transparent ?

L’absorption réduit l’amplitude, tandis que la dispersion différencie les célérités

L’absorption modifie la fréquence, tandis que la dispersion augmente l’amplitude

L’absorption dévie la propagation, tandis que la dispersion supprime l’énergie

L’absorption différencie les célérités, tandis que la dispersion réduit l’amplitude

Explication

L’absorption atténue la lumière en réduisant son amplitude, alors que la dispersion attribue des célérités différentes aux radiations monochromatiques. Les autres propositions attribuent à ces phénomènes des effets qui ne leur correspondent pas.

Answer

L’absorption réduit l’amplitude, tandis que la dispersion différencie les célérités

Question 7

7. Comment définit-on l’indice $n(\lambda)$ d’un milieu transparent pour une radiation de longueur d’onde $\lambda$ ?

n(\lambda)=c_0-c(\lambda)

n(\lambda)=c_0c(\lambda)

n(\lambda)=\frac{c_0}{c(\lambda)}

n(\lambda)=\frac{c(\lambda)}{c_0}

Explication

L’indice compare la célérité dans le vide à celle de la radiation dans le milieu selon $n(\lambda)=\frac{c_0}{c(\lambda)}$ . L’expression inverse ne respecte pas la définition de l’indice optique.

Answer

$$n(\lambda)=\frac{c_0}{c(\lambda)}$$

Question 8

8. Une radiation passe du vide dans un milieu d’indice $n=1,5$ sans changement de fréquence. Comment évolue sa longueur d’onde ?

Elle reste égale à

\lambda_0

Elle devient

\lambda_0-1,5

Elle devient

1,5\lambda_0

Elle devient

\frac{\lambda_0}{1,5}

Explication

Dans le milieu, la longueur d’onde vaut $\lambda_{\mathrm{milieu}}=\frac{\lambda_0}{n}$ , donc ici $\frac{\lambda_0}{1,5}$ , tandis que la fréquence reste inchangée. La longueur d’onde ne peut donc pas rester égale à sa valeur dans le vide.

Answer

Elle devient $$\frac{\lambda_0}{1,5}$$

Question 9

9. Dans le modèle de l’optique géométrique, que représente un rayon lumineux ?

Une surface perpendiculaire à la propagation lumineuse

Une oscillation lumineuse décrivant la diffraction

Un faisceau réel dont la largeur reste constante

Une droite idéalisée représentant un pinceau de lumière

Explication

Un rayon lumineux est une représentation géométrique idéalisée d’un pinceau de lumière lorsque la diffraction est négligée. L’oscillation et la diffraction relèvent du caractère ondulatoire de la lumière, qui n’est pas la définition du rayon lumineux.

Answer

Une droite idéalisée représentant un pinceau de lumière

Question 10

10. Dans quelle situation l’optique géométrique fournit-elle une approximation pertinente ?

Lorsque la diffraction domine les phénomènes observés

Lorsque les objets sont grands devant la longueur d’onde

Lorsque les objets ont une taille comparable à la longueur d’onde

Lorsque les instruments sont plus petits que la longueur d’onde

Explication

L’optique géométrique est valable lorsque les dimensions des objets et des instruments sont grandes devant les longueurs d’onde, ce qui rend la diffraction négligeable. Des dimensions comparables ou inférieures à la longueur d’onde rendent au contraire la diffraction importante.

Answer

Lorsque les objets sont grands devant la longueur d’onde

Question 11

11. Comment se propage un rayon lumineux dans un milieu transparent, homogène et isotrope ?

Il suit une ligne droite

Il décrit une trajectoire circulaire

Il alterne entre deux directions fixes

Il se courbe progressivement vers la normale

Explication

Dans un milieu transparent, homogène et isotrope, les rayons lumineux se propagent en ligne droite. Une courbure de la trajectoire peut apparaître lors d’un changement de milieu, mais elle ne caractérise pas la propagation dans ce milieu uniforme.

Answer

Il suit une ligne droite

Question 12

12. Comment définit-on le plan d’incidence au point où un rayon rencontre un dioptre ?

Comme le plan perpendiculaire au rayon incident

Comme le plan parallèle au dioptre et passant par l’impact

Comme le plan contenant le rayon incident et la normale

Comme le plan contenant le dioptre et le rayon réfléchi

Explication

Le plan d’incidence contient le rayon incident et la normale au dioptre au point d’incidence. Le dioptre lui-même ne suffit pas à définir ce plan, car la normale et le rayon incident en déterminent l’orientation.

Answer

Comme le plan contenant le rayon incident et la normale

Question 13

13. Quelle relation décrit la réfraction d’un rayon passant du milieu d’indice $n_1$ au milieu d’indice $n_2$ ?

n_1\sin i_1=n_2\sin i_2

n_1 i_1=n_2 i_2

n_1\cos i_1=n_2\cos i_2

n_1\sin i_2=n_2\sin i_1

Explication

La réfraction vérifie la loi de Snell-Descartes $n_1\sin i_1=n_2\sin i_2$ , et le rayon réfracté reste dans le plan d’incidence. L’égalité directe des angles ou l’utilisation des cosinus ne correspond pas à cette loi.

Answer

$$n_1\sin i_1=n_2\sin i_2$$

Question 14

14. Un rayon passe d’un milieu d’indice $n_1$ à un milieu d’indice $n_2$ avec $n_2>n_1$ ; comment évolue sa direction ?

Il reste parallèle à la surface séparatrice

Il quitte le second milieu par réflexion totale

Il se rapproche de la normale

Il s’éloigne de la normale

Explication

Lorsqu’un rayon entre dans un milieu d’indice plus élevé, il se rapproche de la normale. La réflexion totale concerne au contraire un passage d’un indice supérieur vers un indice inférieur et ne se produit pas dans la situation décrite.

Answer

Il se rapproche de la normale

Question 15

15. Quelle relation entre les angles caractérise la réflexion d’un rayon lumineux ?

L’angle de réflexion vaut la moitié de l’incidence

L’angle de réflexion égale l’angle d’incidence

L’angle de réflexion complète l’angle d’incidence

L’angle de réflexion égale l’angle de réfraction

Explication

Le rayon réfléchi appartient au plan d’incidence et vérifie $i'_1=i_1$ . L’angle de réfraction dépend des indices des milieux et n’est donc pas, en général, égal à l’angle de réflexion.

Answer

L’angle de réflexion égale l’angle d’incidence

Question 16

16. Dans quelle condition la réflexion totale peut-elle se produire ?

Lors d’un passage entre deux milieux d’indices égaux

Lors d’un passage avec

n_1>n_2

Lors d’un passage avec

n_1<n_2

Lorsqu’un rayon arrive parallèlement au dioptre

Explication

La réflexion totale peut se produire lorsque la lumière passe d’un milieu d’indice supérieur vers un milieu d’indice inférieur, donc lorsque $n_1>n_2$ . Un passage vers un indice plus élevé ne permet pas d’atteindre cette condition de réflexion totale.

Answer

Lors d’un passage avec $$n_1>n_2$$

Question 17

17. Pour $n_1>n_2$ , quelle expression donne l’angle limite de réflexion totale ?

\sin i_{1\mathrm{lim}}=\frac{n_1}{n_2}

\tan i_{1\mathrm{lim}}=\frac{n_1}{n_2}

\sin i_{1\mathrm{lim}}=\frac{n_2}{n_1}

\cos i_{1\mathrm{lim}}=\frac{n_2}{n_1}

Explication

Lorsque $n_1>n_2$ , l’angle limite vérifie $\sin i_{1\mathrm{lim}}=\frac{n_2}{n_1}$ . L’inversion du rapport des indices ou le remplacement du sinus par une autre fonction trigonométrique ne respecte pas la loi de l’angle limite.

Answer

$$\sin i_{1\mathrm{lim}}=\frac{n_2}{n_1}$$

Question 18

18. Comment la lumière évolue-t-elle lorsqu’elle traverse progressivement des couches présentant des indices de réfraction différents ?

Elle s’incurve vers les régions où l’indice de réfraction diminue

Elle conserve une trajectoire rectiligne malgré les variations locales d’indice

Elle se réfracte successivement et s’incurve vers les régions de plus grand indice

Elle est réfléchie à chaque interface et revient vers sa couche d’origine

Explication

Dans un milieu non homogène, la lumière change progressivement de direction en se réfractant entre des couches d’indices différents, vers les régions de plus grand indice. Une trajectoire rectiligne ou une réflexion à chaque couche ne décrit pas cette propagation progressive.

Answer

Elle se réfracte successivement et s’incurve vers les régions de plus grand indice

Question 19

19. Près d’une route chauffée, quelle relation entre les gradients de température et d’indice explique la courbure de la lumière dans l’air ?

Les deux gradients sont horizontaux, car la route chauffée modifie surtout la propagation latérale

Les deux gradients sont dirigés vers le bas, car la chaleur et l’indice évoluent dans le même sens

Le gradient de température est dirigé vers le haut, tandis que celui d’indice est dirigé vers le bas

Le gradient de température est dirigé vers le bas, tandis que le gradient d’indice est dirigé vers le haut

Explication

Dans cet exemple, la température présente un gradient dirigé vers le bas, alors que le gradient d’indice est orienté vers le haut. Confondre les deux gradients conduit donc à inverser la direction de l’un d’eux.

Answer

Le gradient de température est dirigé vers le bas, tandis que le gradient d’indice est dirigé vers le haut

Question 20

20. Quel mécanisme permet à une fibre optique à saut d’indice de guider un signal lumineux ?

La réfraction progressive du signal à travers des couches d’indice continûment variable

L’absorption du signal par une gaine qui le réémet vers l’extrémité de la fibre

La réflexion totale à l’interface entre le cœur et un milieu d’indice différent

La diffusion du signal lumineux par les irrégularités réparties dans le cœur

Explication

Une fibre à saut d’indice guide la lumière par réflexion totale entre son cœur et un milieu d’indice différent. La réfraction progressive caractérise plutôt un profil à gradient d’indice, tandis que diffusion et absorption ne constituent pas le mécanisme de guidage recherché.

Answer

La réflexion totale à l’interface entre le cœur et un milieu d’indice différent

Question 21

21. Dans un prisme à réflexion totale ayant la forme d’un triangle rectangle isocèle, comment comparer l’angle d’incidence de 45° à l’angle limite de 42° ?

L’angle limite correspond à l’incidence, tandis que 45° décrit la forme du prisme

L’angle d’incidence est inférieur à l’angle limite, avec 45° contre 42°

Les deux angles sont égaux, car le prisme est rectangle isocèle

L’angle d’incidence dépasse l’angle limite, avec 45° contre 42°

Explication

L’angle d’incidence dans le prisme vaut 45°, ce qui est supérieur à l’angle limite de 42°. Il ne faut pas confondre l’angle d’incidence avec l’angle limite ni avec la géométrie générale du prisme.

Answer

L’angle d’incidence dépasse l’angle limite, avec 45° contre 42°

QCM : Bases de l’optique géométrique — 21 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle propriété distingue une onde électromagnétique d’une onde mécanique lors de sa propagation ?

2. Pour une onde électromagnétique plane progressive monochromatique se propageant dans le vide, quelle relation relie les champs électrique et magnétique ?

3. Une onde lumineuse dans le vide a une période $T=2,0\times10^{-15}\ \mathrm{s}$ . Quelle est sa longueur d’onde approximative ?

4. Quelle valeur représente exactement la célérité de la lumière dans le vide ?

5. Quelle description caractérise correctement une lumière polychromatique ?

6. Quelle différence décrit correctement l’absorption et la dispersion dans un milieu transparent ?

7. Comment définit-on l’indice $n(\lambda)$ d’un milieu transparent pour une radiation de longueur d’onde $\lambda$ ?

8. Une radiation passe du vide dans un milieu d’indice $n=1,5$ sans changement de fréquence. Comment évolue sa longueur d’onde ?

9. Dans le modèle de l’optique géométrique, que représente un rayon lumineux ?

10. Dans quelle situation l’optique géométrique fournit-elle une approximation pertinente ?

11. Comment se propage un rayon lumineux dans un milieu transparent, homogène et isotrope ?

12. Comment définit-on le plan d’incidence au point où un rayon rencontre un dioptre ?

13. Quelle relation décrit la réfraction d’un rayon passant du milieu d’indice $n_1$ au milieu d’indice $n_2$ ?

14. Un rayon passe d’un milieu d’indice $n_1$ à un milieu d’indice $n_2$ avec $n_2>n_1$ ; comment évolue sa direction ?

15. Quelle relation entre les angles caractérise la réflexion d’un rayon lumineux ?

16. Dans quelle condition la réflexion totale peut-elle se produire ?

17. Pour $n_1>n_2$ , quelle expression donne l’angle limite de réflexion totale ?

18. Comment la lumière évolue-t-elle lorsqu’elle traverse progressivement des couches présentant des indices de réfraction différents ?

19. Près d’une route chauffée, quelle relation entre les gradients de température et d’indice explique la courbure de la lumière dans l’air ?

20. Quel mécanisme permet à une fibre optique à saut d’indice de guider un signal lumineux ?

21. Dans un prisme à réflexion totale ayant la forme d’un triangle rectangle isocèle, comment comparer l’angle d’incidence de 45° à l’angle limite de 42° ?

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QCM : Bases de l’optique géométrique — 21 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle propriété distingue une onde électromagnétique d’une onde mécanique lors de sa propagation ?

2. Pour une onde électromagnétique plane progressive monochromatique se propageant dans le vide, quelle relation relie les champs électrique et magnétique ?

3. Une onde lumineuse dans le vide a une période T=2,0×10−15 sT=2,0\times10^{-15}\ \mathrm{s}T=2,0×10−15 s. Quelle est sa longueur d’onde approximative ?

4. Quelle valeur représente exactement la célérité de la lumière dans le vide ?

5. Quelle description caractérise correctement une lumière polychromatique ?

6. Quelle différence décrit correctement l’absorption et la dispersion dans un milieu transparent ?

7. Comment définit-on l’indice n(λ)n(\lambda)n(λ) d’un milieu transparent pour une radiation de longueur d’onde λ\lambdaλ ?

8. Une radiation passe du vide dans un milieu d’indice n=1,5n=1,5n=1,5 sans changement de fréquence. Comment évolue sa longueur d’onde ?

9. Dans le modèle de l’optique géométrique, que représente un rayon lumineux ?

10. Dans quelle situation l’optique géométrique fournit-elle une approximation pertinente ?

11. Comment se propage un rayon lumineux dans un milieu transparent, homogène et isotrope ?

12. Comment définit-on le plan d’incidence au point où un rayon rencontre un dioptre ?

13. Quelle relation décrit la réfraction d’un rayon passant du milieu d’indice n1n_1n1​ au milieu d’indice n2n_2n2​ ?

14. Un rayon passe d’un milieu d’indice n1n_1n1​ à un milieu d’indice n2n_2n2​ avec n2>n1n_2>n_1n2​>n1​ ; comment évolue sa direction ?

15. Quelle relation entre les angles caractérise la réflexion d’un rayon lumineux ?

16. Dans quelle condition la réflexion totale peut-elle se produire ?

17. Pour n1>n2n_1>n_2n1​>n2​, quelle expression donne l’angle limite de réflexion totale ?

18. Comment la lumière évolue-t-elle lorsqu’elle traverse progressivement des couches présentant des indices de réfraction différents ?

19. Près d’une route chauffée, quelle relation entre les gradients de température et d’indice explique la courbure de la lumière dans l’air ?

20. Quel mécanisme permet à une fibre optique à saut d’indice de guider un signal lumineux ?

21. Dans un prisme à réflexion totale ayant la forme d’un triangle rectangle isocèle, comment comparer l’angle d’incidence de 45° à l’angle limite de 42° ?

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3. Une onde lumineuse dans le vide a une période $T=2,0\times10^{-15}\ \mathrm{s}$ . Quelle est sa longueur d’onde approximative ?

7. Comment définit-on l’indice $n(\lambda)$ d’un milieu transparent pour une radiation de longueur d’onde $\lambda$ ?

8. Une radiation passe du vide dans un milieu d’indice $n=1,5$ sans changement de fréquence. Comment évolue sa longueur d’onde ?

13. Quelle relation décrit la réfraction d’un rayon passant du milieu d’indice $n_1$ au milieu d’indice $n_2$ ?

14. Un rayon passe d’un milieu d’indice $n_1$ à un milieu d’indice $n_2$ avec $n_2>n_1$ ; comment évolue sa direction ?

17. Pour $n_1>n_2$ , quelle expression donne l’angle limite de réflexion totale ?