Flashcards : Bases de l’optique géométrique (84 cartes)

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1Question

Quels deux aspects caractérisent la lumière dans la dualité onde-corpuscule ?

Réponse

Elle est constituée de photons et se comporte comme une onde électromagnétique.

2Question

Quelle masse possèdent les photons constituant la lumière ?

Réponse

Aucune, ils sont sans masse.

3Question

Quels champs composent l’onde électromagnétique associée à la lumière ?

Réponse

Un champ électrique et un champ magnétique.

4Question

Quelle relation relie la longueur d’onde, la période et la fréquence dans le vide ?

Réponse

λ0=c0T=c0ν\lambda_0 = c_0 T = \frac{c_0}{\nu}

5Question

Quelle relation relie la fréquence et la période d’une onde monochromatique ?

Réponse

ν=1T\nu = \frac{1}{T}

6Question

Quelle est la fréquence moyenne de la lumière visible par l’œil humain ?

Réponse

Environ 6×10146\times10^{14} Hz.

7Question

Qu’est-ce que le rayonnement thermique ?

Réponse

L’émission continue de rayonnement électromagnétique par un corps à température non nulle, due à l’agitation thermique et aux accélérations de ses particules chargées.

8Question

Quelle relation exprime la loi de Wien ?

Réponse

λmax⁡T≃3×10−3 m K\lambda_{\max}T \simeq 3\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}

9Question

Quand la température augmente, vers quelles fréquences se déplace le maximum du spectre thermique ?

Réponse

Vers les fréquences élevées.

10Question

Que font les atomes d’un gaz excité en revenant à l’état fondamental ?

Réponse

Ils émettent spontanément des photons.

11Question

Quelle relation donne l’énergie d’un photon émis lors d’une transition atomique ?

Réponse

E=En−Ep=hνE=E_n-E_p=h\nu.

12Question

Quelle valeur de la constante de Planck est donnée ?

Réponse

6,63×10−34 J s6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}.

13Question

Quelle forme prend le spectre d’un gaz émetteur ?

Réponse

Un spectre de raies discontinu, caractéristique du gaz.

14Question

Combien de raies comporte le spectre d’un laser ?

Réponse

Une raie unique.

15Question

Pourquoi le laser est-il proche du modèle monochromatique ?

Réponse

Sa largeur spectrale est beaucoup plus faible que celle des lampes à vapeur de gaz.

16Question

Quel risque le rayonnement intense d’un laser présente-t-il pour l’œil ?

Réponse

Il peut provoquer des dommages irréversibles.

17Question

Que ne faut-il jamais faire avec un laser ?

Réponse

Le regarder directement.

18Question

Comment une source ponctuelle monochromatique est-elle modélisée géométriquement ?

Réponse

Par un point S, centre d’une onde à surface sphérique.

19Question

Quelles dimensions caractérisent une source ponctuelle par rapport à la distance source-récepteur ?

Réponse

Des dimensions négligeables.

20Question

Quelles propriétés caractérisent les milieux transparents étudiés ?

Réponse

Ils sont linéaires, homogènes et isotropes.

21Question

Comment définit-on l’indice optique nn d’un milieu à partir des célérités ?

Réponse

n=c0cn=\frac{c_0}{c}

22Question

Quelle valeur prend l’indice optique dans le vide ?

Réponse

n=1n=1

23Question

Comment la longueur d’onde λ\lambda dans un milieu dépend-elle de cc, TT, ff, λ0\lambda_0 et nn ?

Réponse

λ=cT=cf=λ0n\lambda=cT=\frac{c}{f}=\frac{\lambda_0}{n}

24Question

Qu’est-ce que la dispersion de la lumière dans un milieu transparent ?

Réponse

La séparation des composantes monochromatiques d’un rayonnement polychromatique, due à la dépendance de la vitesse de propagation à la fréquence.

25Question

Quelle exception existe à la dispersion de la lumière dans les milieux transparents ?

Réponse

Le vide.

26Question

De quoi dépend l’indice optique dans un milieu dispersif ?

Réponse

De la fréquence et donc de la longueur d’onde dans le vide.

27Question

Quelle relation de Cauchy relie l’indice optique à la longueur d’onde dans le vide ?

Réponse

n=A+Bλ02n = A + \frac{B}{\lambda_0^2}

28Question

Quelles sont les unités de A et de B dans la relation de Cauchy ?

Réponse

[A]=1[A]=1 et [B]=L2[B]=L^2.

29Question

Qu’est-ce qu’un rayon lumineux dans le modèle géométrique ?

Réponse

Une courbe abstraite matérialisant la direction de propagation de l’onde lumineuse ou la trajectoire des photons, sans existence matérielle isolable.

30Question

Comment la lumière se propage-t-elle dans un milieu transparent homogène et isotrope ?

Réponse

En ligne droite.

31Question

Comment les rayons lumineux issus de sources identiques ou distinctes se propagent-ils ?

Réponse

Indépendamment les uns des autres.

32Question

Comment le trajet lumineux entre deux points d’un rayon dépend-il du sens de propagation ?

Réponse

Il est indépendant du sens de propagation.

33Question

À quelle condition l’optique géométrique est-elle valable par rapport à la longueur d’onde ?

Réponse

Les dimensions caractéristiques des systèmes optiques doivent être grandes devant la longueur d’onde étudiée.

34Question

Qu’est-ce qu’un dioptre ?

Réponse

Une surface séparant deux milieux transparents d’indices différents.

35Question

Quand un dioptre est-il plan ?

Réponse

Lorsque sa surface est plane.

36Question

Dans quel plan se trouvent les rayons réfléchi et réfracté ?

Réponse

Dans le plan d’incidence.

37Question

Quelle relation relie les valeurs absolues de r et i₁ ?

Réponse

∣r∣=∣i1∣|r|=|i_1|

38Question

Quelle loi relie les indices et les angles de réfraction ?

Réponse

n1sin⁡(i1)=n2sin⁡(i2)n_1\sin(i_1)=n_2\sin(i_2)

39Question

Que devient le rayon réfracté lors d’un passage vers un milieu plus réfringent ?

Réponse

Il se rapproche de la normale, avec i2<i1i_2<i_1.

40Question

Que devient le rayon réfracté lors d’un passage vers un milieu moins réfringent ?

Réponse

Il s’écarte de la normale, avec i2>i1i_2>i_1, tant que la réfraction existe.

41Question

Quelle est la formule de l’angle d’incidence limite si n1>n2n_1>n_2 ?

Réponse

i1lim=arcsin⁡(n2n1)i_{1\mathrm{lim}}=\arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right)

42Question

Que se passe-t-il si n1>n2n_1>n_2 et i1<i1limi_1<i_{1\mathrm{lim}} ?

Réponse

Il y a réfraction et réflexion partielle.

43Question

Que se passe-t-il si n1>n2n_1>n_2 et i1>i1limi_1>i_{1\mathrm{lim}} ?

Réponse

La réflexion est totale et le rayon réfracté n’existe plus.

44Question

Dans un milieu stratifié à indices décroissants, comment chaque réfraction dévie-t-elle le rayon ?

Réponse

Elle l’éloigne de la normale.

45Question

Dans un milieu stratifié à indices décroissants, vers quels indices la convexité de la trajectoire est-elle tournée ?

Réponse

Vers les indices croissants.

46Question

Dans un milieu stratifié à dioptres plans successifs, quelle relation reste constante ?

Réponse

nksin⁡(ik)=constanten_k\sin(i_k)=\mathrm{constante}

47Question

Quand l’indice varie continûment avec l’altitude, quelle forme prend la trajectoire lumineuse ?

Réponse

Une courbe dont la concavité est tournée vers les indices croissants.

48Question

Comment les variations atmosphériques d’indice contribuent-elles à l’apparente élévation du Soleil et au décalage des étoiles ?

Réponse

Elles courbent les rayons lumineux.

49Question

Quelles sont les longueurs d’onde approximatives du violet visible dans le vide ?

Réponse

De 380 à 450 nm.

50Question

À quelle célérité la lumière se propage-t-elle dans le vide ?

Réponse

Environ 3×108 m s−13\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}.

51Question

À 300 K, où se situe le maximum d’émission d’un objet ?

Réponse

Vers 10−5 m10^{-5}\ \mathrm{m}, soit environ 10 μm, dans l’infrarouge.

52Question

À partir de quelle température un corps chauffé commence-t-il à rougeoyer ?

Réponse

À partir d’environ 1200 K.

53Question

À 5800 K, où se situe le maximum d’émission du Soleil ?

Réponse

Dans le visible, vers 500 nm.

54Question

À quelle température le filament de tungstène d’une lampe à incandescence est-il porté ?

Réponse

À environ 3000 K.

55Question

Que contiennent les lampes spectrales, ou lampes à vapeur de gaz ?

Réponse

Une vapeur atomique, comme le sodium, le mercure ou le cadmium.

56Question

Quelles longueurs d’onde composent essentiellement la lumière d’une lampe au sodium ?

Réponse

589,0 nm et 589,6 nm.

57Question

Comment appelle-t-on les deux raies jaunes de la lampe au sodium ?

Réponse

Le doublet jaune du sodium.

58Question

Qu’est-ce que l’émission stimulée ?

Réponse

Un rayonnement produit par la désexcitation synchronisée d’atomes.

59Question

À quelle longueur d’onde le laser hélium-néon des travaux pratiques émet-il dans le rouge ?

Réponse

À 632,8 nm.

60Question

Quelle est la largeur spectrale relative du laser hélium-néon des travaux pratiques ?

Réponse

Δλ/λ=10−10\Delta\lambda/\lambda=10^{-10}

61Question

Quelle forme prennent les rayons lumineux issus d’une source ponctuelle ?

Réponse

Des demi-droites partant de la source S.

62Question

Quel montage permet d’approcher une source ponctuelle monochromatique avec une lampe spectrale ?

Réponse

Une lampe spectrale, un filtre isolant une raie, un diaphragme et une lentille convergente.

63Question

Comment fait-on converger un faisceau laser pour approcher une source ponctuelle ?

Réponse

Avec un objectif de microscope de très courte distance focale.

64Question

Pourquoi la dimension transversale du faisceau laser focalisé ne s’annule-t-elle pas ?

Réponse

À cause de la diffraction.

65Question

Quelle dimension transversale minimale la diffraction impose-t-elle au faisceau laser focalisé ?

Réponse

De l’ordre de quelques dixièmes de millimètre.

66Question

Quelle est la valeur approximative de l’indice de l’air aux conditions normales ?

Réponse

1,0003, soit environ 1.

67Question

Quel est l’indice approximatif de l’eau liquide pour une lumière jaune moyenne ?

Réponse

Environ 1,3.

68Question

Comment la longueur d’onde dans un milieu d’indice supérieur à 1 se compare-t-elle à celle du vide ?

Réponse

Elle est inférieure à sa valeur dans le vide.

69Question

Quels phénomènes courants manifestent la dispersion de la lumière ?

Réponse

La dispersion par un prisme et par les gouttes d’eau, qui produit l’arc-en-ciel.

70Question

Comment l’indice optique évolue-t-il lorsque la longueur d’onde dans le vide augmente ?

Réponse

Il diminue.

71Question

Comment se comparent les longueurs d’onde et les indices du violet et du rouge ?

Réponse

λ0(violet)<λ0(rouge)\lambda_0(\text{violet})<\lambda_0(\text{rouge}) et n(violet)>n(rouge)n(\text{violet})>n(\text{rouge}).

72Question

Comment le modèle géométrique représente-t-il un faisceau lumineux, comme celui d’un laser ?

Réponse

Comme un ensemble de rayons lumineux.

73Question

Quand le modèle géométrique cesse-t-il d’être valable, notamment pour une fente ?

Réponse

Quand la diffraction n’est plus négligeable, notamment si la fente mesure moins de quelques micromètres.

74Question

Qu’est-ce que la diffraction de la lumière ?

Réponse

L’élargissement angulaire d’un faisceau rencontrant une ouverture ou un obstacle suffisamment petit.

75Question

Qu’est-ce que le point d’incidence ?

Réponse

Le point où le rayon incident rencontre le dioptre.

76Question

Comment définit-on le plan d’incidence ?

Réponse

C’est le plan défini par le rayon incident et la normale au dioptre au point d’incidence.

77Question

Quelles formules donnent l’angle de déviation en réflexion et en réfraction ?

Réponse

En réflexion, D=π−2i1D = \pi - 2i_1 ; en réfraction, D=i2−i1D = i_2 - i_1.

78Question

Quelle est la formule de l’angle de réfraction maximal si n2>n1n_2>n_1 ?

Réponse

i2max⁡=arcsin⁡(n1n2)i_{2\max}=\arcsin\left(\frac{n_1}{n_2}\right)

79Question

Comment la réflexion totale canalise-t-elle la lumière dans une fibre optique à saut d’indice ?

Réponse

À l’interface cœur-gaine, elle guide la lumière le long de la fibre et évite les pertes énergétiques.

80Question

Quel mirage peut apparaître sur une route chaude ?

Réponse

Un mirage inférieur.

81Question

Quel mirage peut apparaître en Finlande ?

Réponse

Un mirage supérieur.

82Question

Quel est le rendement énergétique d’une lampe à incandescence ?

Réponse

Environ 5 %.

83Question

Quel est l’indice approximatif du verre crown pour une lumière jaune moyenne ?

Réponse

Environ 1,5.

84Question

Dans quels domaines les fibres optiques sont-elles notamment utilisées ?

Réponse

En télécommunications et en endoscopie.

Teste-toi avec le QCM

Teste tes connaissances avec un QCM de 36 questions sur Bases de l’optique géométrique.

1. Quel modèle décrit la nature de la lumière en réunissant ses aspects corpusculaire et ondulatoire ?

2. Dans le vide, une onde monochromatique a une fréquence de 5×10145\times10^{14} Hz. Quelle est sa longueur d’onde, en prenant c0=3×108 m s−1c_0=3\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}} ?

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