QCM : Lumière : ondes et particules — 14 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle fonction est associée au modèle ondulatoire de la lumière dans la dualité onde-particule ?

Déterminer la charge électrique transportée par la lumière
Décrire la propagation de la lumière et la formation des images
Mesurer la masse des particules lumineuses dans le vide
Décrire les échanges d’énergie entre la lumière et la matière

Décrire la propagation de la lumière et la formation des images

Explication

Le modèle ondulatoire rend compte de la propagation de la lumière et de la formation des images. Le modèle particulaire concerne plutôt les échanges d’énergie entre la lumière et la matière.

2. Quel modèle permet d’interpréter l’effet photoélectrique et les spectres lumineux ?

Le modèle particulaire de la lumière
Le modèle mécanique des milieux matériels
Le modèle ondulatoire de la lumière
Le modèle géométrique de la propagation lumineuse

Le modèle particulaire de la lumière

Explication

L’effet photoélectrique et les spectres lumineux s’expliquent par les échanges d’énergie décrits dans le modèle particulaire. Le modèle ondulatoire concerne notamment la propagation plutôt que ces échanges quantifiés.

3. Quelle propriété caractérise une onde électromagnétique ?

Elle se propage dans le vide avec une vitesse dépendant de sa fréquence
Elle reste confinée aux milieux transparents contenant des particules chargées
Elle peut se propager dans le vide et dans de nombreux milieux matériels
Elle doit traverser un milieu matériel pour transmettre une perturbation

Elle peut se propager dans le vide et dans de nombreux milieux matériels

Explication

Une onde électromagnétique, comme la lumière, les rayons X ou les ondes radio, peut se propager dans le vide ainsi que dans de nombreux milieux matériels. L’idée qu’un milieu matériel soit indispensable correspond à une confusion avec certaines ondes mécaniques.

4. Dans le vide, quelle est la célérité de toutes les ondes électromagnétiques ?

Elle dépend de la longueur d’onde de chaque radiation
Elle varie selon la fréquence de chaque radiation
c=3,00×108 m s−1c = 3{,}00 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}
c=3,00×106 m s−1c = 3{,}00 \times 10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}

$$c = 3{,}00 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$$

Explication

Toutes les ondes électromagnétiques ont dans le vide la même célérité, notée cc et égale à 3,00×108 m s−13{,}00 \times 10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}. Leurs fréquences et longueurs d’onde peuvent toutefois être différentes.

5. Une radiation possède une fréquence ν=6,00×1014 Hz\nu = 6{,}00 \times 10^{14}\ \mathrm{Hz} dans le vide. Quelle relation permet de déterminer sa longueur d’onde ?

λ=cν\lambda = c\nu
λ=νc\lambda = \frac{\nu}{c}
λ=1cν\lambda = \frac{1}{c\nu}
λ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}

$$\lambda = \frac{c}{\nu}$$

Explication

Dans le vide, la longueur d’onde et la fréquence vérifient λ=cν\lambda = \frac{c}{\nu}. La multiplication par cc ou l’inversion du rapport ne respecte pas cette relation entre célérité, fréquence et longueur d’onde.

6. Lorsqu’une radiation passe d’un milieu à un autre, quelle grandeur reste indépendante du milieu de propagation ?

La fréquence de la radiation
La célérité de la radiation dans chaque milieu
La longueur d’onde de la radiation
La distance parcourue pendant une période

La fréquence de la radiation

Explication

La fréquence d’une radiation est indépendante du milieu de propagation, tandis que sa longueur d’onde dépend du milieu. La célérité et la distance parcourue pendant une période peuvent donc varier avec le milieu.

7. Comment exprime-t-on l’énergie d’un photon en fonction de sa fréquence et de sa longueur d’onde ?

Ephoton=hλ=hcνE_{\text{photon}} = h\lambda = \frac{hc}{\nu}
Ephoton=hν=λhcE_{\text{photon}} = \frac{h}{\nu} = \frac{\lambda}{hc}
Ephoton=hν=hcλE_{\text{photon}} = h\nu = \frac{hc}{\lambda}
Ephoton=νh=hcλ2E_{\text{photon}} = \frac{\nu}{h} = \frac{hc}{\lambda^2}

$$E_{\text{photon}} = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$$

Explication

L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence et s’écrit Ephoton=hν=hcλE_{\text{photon}} = h\nu = \frac{hc}{\lambda}. Les expressions inversant la fréquence ou associant directement l’énergie à la longueur d’onde ne correspondent pas à cette relation.

8. Quelle description correspond à un photon ?

Une particule sans masse ni charge électrique qui transporte de l’énergie à la vitesse de la lumière
Une particule chargée qui transporte de l’énergie à une vitesse inférieure à celle de la lumière
Une onde matérielle sans énergie qui se déplace uniquement dans un milieu
Une particule massive et neutre qui reste immobile pendant le transport d’énergie

Une particule sans masse ni charge électrique qui transporte de l’énergie à la vitesse de la lumière

Explication

Un photon est une particule de masse et de charge électrique nulles, qui transporte de l’énergie et se déplace à la vitesse de la lumière. Les autres descriptions lui attribuent une masse, une charge, une immobilité ou l’absence d’énergie, ce qui est incompatible avec sa définition.

9. Que signifie le fait que les niveaux d’énergie atomiques soient quantifiés ?

Les électrons possèdent une énergie identique quelle que soit leur couche électronique
L’atome ne peut occuper que certaines valeurs d’énergie liées à sa structure électronique
L’atome peut adopter toute valeur d’énergie dès qu’un électron change de couche
L’énergie de l’atome dépend principalement de sa température et de son environnement

L’atome ne peut occuper que certaines valeurs d’énergie liées à sa structure électronique

Explication

Les niveaux d’énergie quantifiés correspondent à des valeurs particulières associées aux états possibles et à la répartition des électrons. L’atome ne dispose donc pas d’un continuum de valeurs énergétiques accessibles entre ces niveaux.

10. Comment distinguer l’état fondamental, un état excité et l’état ionisé d’un atome ?

L’état fondamental et l’état excité ont la même énergie, tandis que l’état ionisé possède une énergie inférieure
L’état fondamental est le plus stable, l’état excité a davantage d’énergie et l’état ionisé correspond à l’arrachement d’un électron
L’état fondamental possède l’énergie maximale, l’état excité est le plus stable et l’état ionisé a l’énergie minimale
L’état fondamental résulte de l’arrachement d’un électron, l’état excité est stable et l’état ionisé est intermédiaire

L’état fondamental est le plus stable, l’état excité a davantage d’énergie et l’état ionisé correspond à l’arrachement d’un électron

Explication

L’état fondamental est l’état stable de plus basse énergie, tandis qu’un état excité possède davantage d’énergie et que l’ionisation implique l’arrachement d’un électron. Confondre l’état fondamental avec l’état de plus haute énergie inverse précisément cette hiérarchie.

11. Dans un diagramme de niveaux, que représente une transition énergétique ?

Une modification de la charge du noyau, indiquée par une ligne horizontale
Un changement du niveau d’énergie de l’atome, indiqué par une flèche
Une variation de la température de l’atome, indiquée par une ligne verticale
Une rotation de l’atome autour de son noyau, indiquée par un cercle

Un changement du niveau d’énergie de l’atome, indiqué par une flèche

Explication

Une transition énergétique décrit le passage d’un atome d’un niveau d’énergie à un autre et se représente par une flèche. Une ligne horizontale représente plutôt un niveau donné, et non le changement entre deux niveaux.

12. Un atome passe de Einitial=−5,0 eVE_{\text{initial}}=-5{,}0\ \mathrm{eV} à Efinal=−2,0 eVE_{\text{final}}=-2{,}0\ \mathrm{eV}. Quelle est l’énergie du photon échangé ?

−3,0 eV-3{,}0\ \mathrm{eV}
3,0 eV3{,}0\ \mathrm{eV}
7,0 eV7{,}0\ \mathrm{eV}
−7,0 eV-7{,}0\ \mathrm{eV}

$$3{,}0\ \mathrm{eV}$$

Explication

L’énergie échangée est la valeur absolue de l’écart entre les deux niveaux : ΔE=∣−2,0−(−5,0)∣=3,0 eV\Delta E=|{-2{,}0}-({-5{,}0})|=3{,}0\ \mathrm{eV}. Il faut donc utiliser la différence entre les niveaux, et non leur somme ni la valeur absolue d’un niveau isolé.

13. Que se produit-il lorsqu’un atome passe d’un niveau d’énergie supérieur à un niveau inférieur ?

Il arrache un électron au noyau en augmentant son énergie
Il absorbe un photon correspondant à une radiation monochromatique
Il conserve son énergie et change uniquement de position dans l’espace
Il émet un photon correspondant à une radiation monochromatique

Il émet un photon correspondant à une radiation monochromatique

Explication

Lors d’une descente vers un niveau inférieur, l’atome perd l’énergie correspondant à l’écart entre les niveaux en émettant un photon. L’absorption d’un photon caractérise au contraire une transition vers un niveau supérieur.

14. Pourquoi les radiations d’un spectre peuvent-elles servir à caractériser un atome ?

Elles sont produites avec les mêmes longueurs d’onde par tous les atomes
Elles dépendent principalement de la masse totale de l’échantillon étudié
Elles dépendent des niveaux d’énergie propres à cet atome
Elles résultent d’une température identique imposée à chaque élément

Elles dépendent des niveaux d’énergie propres à cet atome

Explication

Chaque atome possède un ensemble propre de niveaux d’énergie, ce qui détermine les radiations qu’il peut émettre ou absorber. Un spectre n’est donc pas identique pour tous les atomes, même si plusieurs éléments peuvent être étudiés dans des conditions comparables.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 31 flashcards sur Lumière : ondes et particules.

Quelle dualité possède la lumière ?

La lumière possède une dualité onde-particule.

Que décrit le modèle ondulatoire de la lumière ?

Le modèle ondulatoire décrit sa propagation et la formation des images.

Que décrit le modèle particulaire de la lumière ?

Le modèle particulaire décrit les échanges d’énergie entre la matière et la lumière.

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