QCM : Optique géométrique — 26 questions

Explication

L’optique étudie les phénomènes lumineux et son nom provient d’un terme grec lié à l’action de voir. La thermodynamique concerne principalement les échanges d’énergie et les transformations liées à la chaleur.

Explication

Huygens décrit la lumière comme composée d’ondes au XVIIe siècle. L’idée d’un flot de particules est associée à Newton dans cette opposition historique.

Explication

Einstein et De Broglie établissent que les objets possèdent une nature ondulatoire et corpusculaire, ce qui contribue au début de la mécanique quantique. La lumière n’est pas assimilée à une onde sonore, car il s’agit d’un phénomène électromagnétique.

Explication

Un rayon lumineux est une droite géométrique qui modélise la direction de propagation de la lumière. Une radiation correspond plutôt à une onde électromagnétique associée à une seule couleur.

Explication

Une radiation est une onde électromagnétique correspondant à une seule couleur. La lumière blanche constitue un ensemble de nombreuses radiations, tandis qu’une droite géométrique représente un rayon lumineux.

Explication

La relation $\lambda = \frac{c}{\nu}$ donne $\lambda = \frac{3{,}00 \times 10^8}{6{,}00 \times 10^{14}} = 5{,}00 \times 10^{-7}\ \mathrm{m}$. Multiplier la célérité par la fréquence produirait une grandeur incompatible avec une longueur d’onde.

Explication

Le domaine visible s’étend approximativement de 400 à 800 nm pour un œil moyen. Les autres intervalles se situent en dehors de cette plage ou utilisent une échelle beaucoup plus grande.

Explication

Un milieu homogène présente les mêmes propriétés physiques en chacun de ses points. La variation selon la direction concerne l’isotropie, tandis que le passage de la lumière sans absorption définit la transparence.

Explication

Un milieu isotrope possède les mêmes propriétés physiques dans toutes les directions de l’espace. L’identité des propriétés d’un point à l’autre définit plutôt l’homogénéité.

Explication

Un milieu transparent laisse passer la lumière sans absorber d’énergie lumineuse. Un milieu absorbant se caractérise au contraire par l’absorption d’une partie de l’énergie lumineuse.

Explication

La définition $n = \frac{c}{v}$ donne $n = \frac{3{,}00 \times 10^8}{2{,}00 \times 10^8} = 1{,}50$. La vitesse $v$ appartient au milieu matériel, tandis que $c$ désigne la célérité de la lumière dans le vide.

Explication

Dans un milieu homogène et isotrope, la lumière suit une trajectoire rectiligne et sa vitesse ne dépend pas de la direction de propagation. Une trajectoire courbe ou une vitesse directionnelle variable caractériserait un milieu non homogène ou anisotrope.

Explication

Le principe de Fermat affirme que la lumière emprunte un trajet correspondant à une durée de parcours minimale. La propagation rectiligne décrit plutôt la forme du trajet dans un milieu homogène et isotrope, et non le contenu général du principe de Fermat.

Explication

L’optique géométrique est valable lorsque $\lambda \ll a$, c’est-à-dire lorsque la longueur d’onde est très petite devant la dimension du diaphragme. Lorsque ces dimensions deviennent comparables, les effets de diffraction deviennent importants.

Explication

Un diaphragme de dimension micrométrique provoque une diffraction : le faisceau diverge, la tache s’agrandit et des anneaux peuvent apparaître. La conservation d’un faisceau parallèle correspondrait à une situation où la diffraction est négligeable.

Explication

La réflexion est le changement de direction d’une lumière qui retourne dans son milieu de propagation initial après avoir rencontré une surface réfléchissante. Le passage dans un milieu différent caractérise la réfraction.

Explication

La loi de la réflexion impose que le rayon réfléchi reste dans le plan d’incidence et que les angles vérifient $|r|=|i|$. Les autres relations ne correspondent pas à la loi de réflexion.

Explication

La réfraction désigne le changement brusque de direction d’une lumière qui se propage ensuite dans un milieu différent. Le retour dans le milieu initial correspond à la réflexion, tandis que la diffraction concerne l’étalement de la lumière autour d’une ouverture ou d’un obstacle.

Explication

Lorsque $n_1>n_2$, le rayon passe vers un milieu d’indice plus faible et s’éloigne de la normale. À l’inverse, un passage vers un milieu d’indice plus élevé entraîne un rapprochement de la normale.

Explication

À l’incidence rasante, $i_1=90^\circ$ et la loi de Snell-Descartes conduit à $i_{2m}=\arcsin\left(\frac{n_1}{n_2}\right)$. La formule utilisant le rapport inverse correspond à l’angle limite associé à une autre configuration, celle où $n_1>n_2$.

Explication

Lorsque la lumière passe d’un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent, l’angle limite vérifie $i_{1\mathrm{lim}}=\arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right)$. L’expression avec le rapport inverse n’est pas compatible avec cette définition de l’angle limite.

Explication

Pour $n_1>n_2$ et $i_1>i_{1\mathrm{lim}}$, aucun rayon réfracté ne peut se propager : toute la lumière est réfléchie, comme par un miroir. Le cas où le rayon réfracté rase le dioptre correspond à l’angle limite, et non à un angle supérieur.

Explication

Un prisme droit à base triangulaire possède deux bases triangulaires parallèles et des faces latérales rectangulaires perpendiculaires à ces bases. La confusion fréquente consiste à inverser les relations de parallélisme et de perpendicularité entre ces faces.

Explication

Le rayon subit une réfraction à l’entrée puis une seconde à la sortie, ce qui dévie le rayon émergent vers la base du prisme. Une réflexion sur les deux faces ne décrit pas le fonctionnement général d’un prisme transparent traversé par la lumière.

Explication

La géométrie du prisme donne $D=i+i'-A$, où les angles d’incidence et d’émergence s’ajoutent avant la soustraction de l’angle au sommet. Ajouter $A$ au lieu de le soustraire conduit à une expression incompatible avec cette relation géométrique.

Explication

La loi de Cauchy s’écrit $n(\lambda)=a+\frac{b}{\lambda^2}$, les constantes $a$ et $b$ étant positives et propres au verre. Elles ne changent pas pour chaque longueur d’onde, contrairement à l’indice qui varie avec celle-ci.