QCM : La lumière : ondes et photons (12 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Concernant la nature et la propagation des ondes électromagnétiques :

Une onde électromagnétique correspond à des champs électrique et magnétique interdépendants en propagation.
Une onde électromagnétique se propage dans le vide avec une célérité notée ν.
La célérité c désigne la vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dans le vide.
Une onde électromagnétique transporte de l’énergie, sans transporter de matière.
Dans un milieu matériel, une onde électromagnétique transporte de la matière plutôt que de l’énergie.

Une onde électromagnétique correspond à des champs électrique et magnétique interdépendants en propagation. · La célérité c désigne la vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dans le vide. · Une onde électromagnétique transporte de l’énergie, sans transporter de matière.

Explication

Une onde électromagnétique est la propagation de champs électrique et magnétique interdépendants. Elle transporte de l’énergie et non de la matière, et peut se propager dans le vide avec la célérité c. La célérité ne se note pas ν, et un milieu matériel ne transforme pas le transport d’énergie en transport de matière.

2. Une onde électromagnétique se propage dans le vide à 3,00×1083{,}00\times10^8 m·s⁻¹ et sa fréquence vaut 6,00×10146{,}00\times10^{14} Hz. Parmi les propositions suivantes, lesquelles décrivent correctement ses grandeurs caractéristiques ?

Sa fréquence s’exprime en secondes, tandis que sa période s’exprime en hertz.
Sa longueur d’onde dans le vide vaut 2,00×1062{,}00\times10^6 m avec ces données.
Sa longueur d’onde dans le vide vaut 5,00×10−75{,}00\times10^{-7} m, soit 500 nm.
Sa longueur d’onde et sa fréquence sont inversement proportionnelles à célérité fixée.
Sa période temporelle vaut environ 1,67×10−151{,}67\times10^{-15} s.

Sa longueur d’onde dans le vide vaut $$5{,}00\times10^{-7}$$ m, soit 500 nm. · Sa longueur d’onde et sa fréquence sont inversement proportionnelles à célérité fixée. · Sa période temporelle vaut environ $$1{,}67\times10^{-15}$$ s.

Explication

La relation λ0=c/ν\lambda_0=c/\nu donne 3,00×108/(6,00×1014)=5,00×10−73{,}00\times10^8/(6{,}00\times10^{14})=5{,}00\times10^{-7} m, et la fréquence et la longueur d’onde varient en sens inverse. La période vaut 1/ν≈1,67×10−151/\nu\approx1{,}67\times10^{-15} s ; les unités de la période et de la fréquence sont inversées dans la proposition correspondante, et la valeur de longueur d’onde proposée ne découle pas de la relation.

3. Pour une onde lumineuse dans le vide, une mesure donne une fréquence de 1,50×1091{,}50\times10^9 Hz. Quelle(s) proposition(s) caractérise(nt) correctement la célérité et la longueur d’onde ?

La célérité dans le vide vaut 3,00×1063{,}00\times10^6 m·s⁻¹.
La longueur d’onde se calcule en divisant la célérité par la fréquence.
La longueur d’onde correspondante vaut 0,45 m.
La longueur d’onde correspondante vaut 0,20 m.
La célérité dans le vide vaut 3,00×1083{,}00\times10^8 m·s⁻¹.

La longueur d’onde se calcule en divisant la célérité par la fréquence. · La longueur d’onde correspondante vaut 0,20 m. · La célérité dans le vide vaut $$3{,}00\times10^8$$ m·s⁻¹.

Explication

La célérité dans le vide est 3,00×1083{,}00\times10^8 m·s⁻¹. La relation λ0=c/ν\lambda_0=c/\nu donne 3,00×108/(1,50×109)=0,203{,}00\times10^8/(1{,}50\times10^9)=0{,}20 m ; 0,45 m et la valeur de célérité proposée dans la distractrice ne correspondent pas aux données ni à la valeur de référence.

4. Un technicien doit classer des signaux Wi-Fi et une image radiographique dans le spectre électromagnétique. Parmi les propositions suivantes, lesquelles sont exactes ?

L’imagerie radiographique est associée au domaine des rayons X dans le spectre électromagnétique.
Les domaines électromagnétiques s’étendent approximativement de 10⁹ à 10¹⁸ Hz.
Le Wi-Fi relève du domaine des micro-ondes dans le spectre électromagnétique.
L’échelle du spectre électromagnétique s’étend approximativement de 10⁶ à 10¹⁸ Hz.
Le domaine des ondes radio se situe vers 10¹² Hz dans le spectre électromagnétique.

L’imagerie radiographique est associée au domaine des rayons X dans le spectre électromagnétique. · Le Wi-Fi relève du domaine des micro-ondes dans le spectre électromagnétique.

Explication

Le Wi-Fi est associé aux micro-ondes, et l’imagerie médicale aux rayons X. Les ondes radio se situent vers les fréquences les plus basses de l’échelle, et non vers 10¹² Hz. L’échelle présentée s’étend approximativement de 10⁶ à 10²¹ Hz, et non de 10⁹ à 10¹⁸ Hz.

5. Un gaz à basse pression est excité par chauffage, puis un autre gaz est traversé par une lumière blanche. Quelles propositions décrivent correctement les spectres obtenus ?

Chaque raie du spectre d’émission correspond à une plage étendue de longueurs d’onde.
Le gaz éclairé par lumière blanche produit des raies noires sur fond noir.
Le gaz éclairé par la lumière blanche peut produire des raies noires sur un fond continu.
Le gaz chauffé peut produire des raies colorées sur un fond noir.
Le spectre d’absorption du gaz présente des raies colorées sur un fond noir.

Le gaz éclairé par la lumière blanche peut produire des raies noires sur un fond continu. · Le gaz chauffé peut produire des raies colorées sur un fond noir.

Explication

L’émission par un gaz excité à basse pression donne des raies colorées sur fond noir, chaque raie ayant une longueur d’onde précise. L’absorption d’une lumière blanche par un gaz donne des raies noires sur le fond continu. Les raies d’émission ne correspondent pas à des plages étendues, et les deux descriptions de l’absorption proposées avec un fond noir sont erronées.

6. Un atome passe d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau supérieur après interaction avec un photon. Quelles propositions décrivent correctement les transitions énergétiques possibles ?

Lors d’une émission, l’atome passe spontanément d’un niveau supérieur à un niveau inférieur.
Lors d’une émission, l’énergie du photon correspond à l’énergie cédée par l’atome.
Lors d’une absorption, le photon est créé tandis que l’atome atteint un niveau supérieur.
L’atome absorbe le photon si son énergie égale l’écart vers le niveau supérieur.
Lors d’une émission, l’atome gagne l’énergie portée par le photon émis.

Lors d’une émission, l’atome passe spontanément d’un niveau supérieur à un niveau inférieur. · Lors d’une émission, l’énergie du photon correspond à l’énergie cédée par l’atome. · L’atome absorbe le photon si son énergie égale l’écart vers le niveau supérieur.

Explication

Lors d’une émission, l’atome passe spontanément d’un niveau supérieur à un niveau inférieur et cède au photon l’énergie correspondant à l’écart entre les niveaux. Lors d’une absorption, l’énergie du photon correspond à l’écart vers un niveau supérieur ; le photon est détruit et l’atome gagne de l’énergie. L’atome perd donc de l’énergie lors d’une émission.

7. Concernant les états d’énergie possibles d’un atome, quelles propositions sont exactes ?

Les valeurs des états accessibles sont bien définies et caractéristiques de l’atome considéré.
L’ionisation correspond au niveau d’énergie le plus élevé et à la plus grande stabilité de l’atome.
L’état fondamental correspond au niveau le plus bas et à la plus grande stabilité de l’atome.
On parle d’énergie quantifiée lorsque l’atome ne peut prendre que certaines valeurs d’énergie.
Les niveaux d’énergie accessibles sont identiques pour tous les atomes, quelle que soit leur nature.

Les valeurs des états accessibles sont bien définies et caractéristiques de l’atome considéré. · L’état fondamental correspond au niveau le plus bas et à la plus grande stabilité de l’atome. · On parle d’énergie quantifiée lorsque l’atome ne peut prendre que certaines valeurs d’énergie.

Explication

Les états accessibles ont des valeurs bien définies et caractéristiques de l’atome, et leur caractère discret signifie que l’énergie est quantifiée. L’état fondamental est le niveau d’énergie le plus bas et correspond à la plus grande stabilité. À énergie nulle, l’atome est ionisé et se trouve dans son état de plus grande énergie, et non dans l’état de plus grande stabilité. Les niveaux d’énergie accessibles ne sont pas identiques pour tous les atomes : leurs valeurs dépendent de l’atome considéré.

8. Sur un diagramme, un atome possède les niveaux E0=−5,14 eVE_0=-5,14\,\text{eV} à E5=−0,85 eVE_5=-0,85\,\text{eV}. Quelles propositions décrivent correctement ces niveaux ?

Le niveau E5=−0,85 eVE_5=-0,85\,\text{eV} correspond à l’état fondamental.
Le niveau E4E_4 vaut −1,38 eV-1,38\,\text{eV} dans ce diagramme.
Un atome placé sur E3=−1,52 eVE_3=-1,52\,\text{eV} se trouve dans un état excité.
Le niveau E0=−5,14 eVE_0=-5,14\,\text{eV} est un état excité de l’atome.
À l’énergie nulle, l’atome est ionisé et se trouve à son énergie maximale.

Le niveau $$E_4$$ vaut $$-1,38\,\text{eV}$$ dans ce diagramme. · Un atome placé sur $$E_3=-1,52\,\text{eV}$$ se trouve dans un état excité. · À l’énergie nulle, l’atome est ionisé et se trouve à son énergie maximale.

Explication

Le niveau E3E_3 est supérieur au niveau fondamental E0E_0, donc il s’agit d’un état excité. L’ionisation correspond à l’énergie nulle, la plus élevée, et le diagramme donne bien E4=−1,38 eVE_4=-1,38\,\text{eV} ; E0E_0 est fondamental et E5E_5 est excité.

9. Un photon se propage dans le vide avec une longueur d’onde λ0\lambda_0 et une fréquence ν\nu. Cochez la (les) proposition(s) exacte(s) :

À fréquence identique, son énergie est proportionnelle à λ0\lambda_0.
Dans le vide, ce photon se déplace à la célérité cc.
L’énergie de ce photon peut s’écrire Ephoton=hνE_{\text{photon}}=h\nu.
Son énergie s’exprime par Ephoton=hλ0cE_{\text{photon}}=\frac{h\lambda_0}{c}.
Ce photon est dépourvu de masse et de charge électrique.

Dans le vide, ce photon se déplace à la célérité $$c$$. · L’énergie de ce photon peut s’écrire $$E_{\text{photon}}=h\nu$$. · Ce photon est dépourvu de masse et de charge électrique.

Explication

Un photon transporte une quantité élémentaire d’énergie, et son énergie vérifie Ephoton=hν=hcλ0E_{\text{photon}}=h\nu=\frac{hc}{\lambda_0}. Il est sans masse ni charge et se déplace dans le vide à la célérité cc ; la dépendance en longueur d’onde est inverse, pas proportionnelle.

10. Concernant les constantes et unités associées à l’énergie du photon, quelles propositions sont exactes ?

Un électronvolt correspond à environ 1,60×10−341,60\times10^{-34} joule.
La constante de Planck vaut environ 6,63×10−196,63\times10^{-19} joule-seconde.
Un électronvolt correspond à environ 1,60×10−191,60\times10^{-19} joule.
La constante de Planck vaut environ 6,63×10−346,63\times10^{-34} joule-seconde.
La constante de Planck s’exprime en joules par seconde.

Un électronvolt correspond à environ $$1,60\times10^{-19}$$ joule. · La constante de Planck vaut environ $$6,63\times10^{-34}$$ joule-seconde.

Explication

La constante de Planck vaut 6,63×10−346,63\times10^{-34} J·s, et l’électronvolt vaut 1,60×10−191,60\times10^{-19} J. Les valeurs numériques des deux autres propositions sont interverties ; l’unité de hh est le joule-seconde, et non le joule par seconde.

11. Une lumière de fréquence ν\nu est décrite selon deux modèles. Parmi les propositions suivantes, laquelle(s) est(sont) exacte(s) ?

Dans le modèle ondulatoire, la fréquence ν\nu caractérise la lumière considérée.
Dans le modèle particulaire, l’énergie de chaque photon vaut h×νh\times\nu.
Dans le modèle ondulatoire, chaque photon transporte une énergie Ephoton=h×νE_{\text{photon}}=h\times\nu.
Dans le modèle particulaire, la lumière est décrite par des photons individuels.
Dans le modèle particulaire, la fréquence ν\nu remplace la description par photons.

Dans le modèle ondulatoire, la fréquence $$\nu$$ caractérise la lumière considérée. · Dans le modèle particulaire, l’énergie de chaque photon vaut $$h\times\nu$$. · Dans le modèle particulaire, la lumière est décrite par des photons individuels.

Explication

Le modèle ondulatoire caractérise la lumière par sa fréquence. Le modèle particulaire la décrit par des photons, chacun d’énergie h×νh\times\nu ; attribuer cette énergie au modèle ondulatoire ou remplacer les photons par la fréquence inverse les descriptions.

12. À propos de la dualité onde-particule de la lumière :

La dualité affirme que la lumière est littéralement une onde classique et une particule classique.
Les modèles ondulatoire et particulaire décrivent deux phénomènes physiques indépendants.
La lumière est littéralement un corpuscule classique possédant aussi les propriétés d’une onde.
La lumière est littéralement une onde classique possédant aussi les propriétés d’un corpuscule.
Les modèles ondulatoire et particulaire présentent deux aspects d’un même phénomène physique.

Les modèles ondulatoire et particulaire présentent deux aspects d’un même phénomène physique.

Explication

La dualité présente les modèles ondulatoire et particulaire comme deux aspects d’un même phénomène. Elle ne signifie ni que la lumière est littéralement une onde et une particule classiques, ni que ces modèles décrivent des phénomènes indépendants.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 41 flashcards sur La lumière : ondes et photons.

Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ?

La propagation de champs électrique et magnétique interdépendants, qui transporte de l’énergie sans transporter de matière.

Que caractérise la période temporelle TT d’une onde électromagnétique ?

Sa périodicité temporelle.

Que caractérise la longueur d’onde dans le vide λ0\lambda_0 ?

La périodicité spatiale de l’onde électromagnétique.

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