QCM : Optique géométrique et lumière — 27 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle combinaison décrit correctement les systèmes dioptrique, catoptrique et catadioptrique ?

Le système dioptrique utilise des dioptres, le catoptrique les deux et le catadioptrique des miroirs.
Le système dioptrique utilise des miroirs, le catoptrique des dioptres et le catadioptrique les deux.
Le système dioptrique utilise les deux, le catoptrique des miroirs et le catadioptrique des dioptres.
Le système dioptrique utilise des dioptres, le catoptrique des miroirs et le catadioptrique les deux.

Le système dioptrique utilise des dioptres, le catoptrique des miroirs et le catadioptrique les deux.

Explication

Un système dioptrique est constitué de dioptres, un système catoptrique de miroirs et un système catadioptrique combine ces deux éléments. Les autres associations permutent les catégories et leurs composants.

2. Dans quelle situation un système optique est-il rigoureusement stigmatique pour le couple de points AA et A′A' ?

L’image de tout objet perpendiculaire reste perpendiculaire à l’axe.
Les rayons incidents provenant de AA sont tous parallèles à l’axe.
Tous les rayons émergents issus de AA se croisent exactement en A′A'.
Les rayons émergents issus de AA passent dans un voisinage étendu de A′A'.

Tous les rayons émergents issus de $$A$$ se croisent exactement en $$A'$$.

Explication

Le stigmatisme rigoureux exige une convergence exacte de tous les rayons émergents issus de AA vers le point A′A'. Une concentration dans un voisinage correspond au stigmatisme approché, et non au stigmatisme rigoureux.

3. Quelle description caractérise le mieux la lumière ?

Une vibration mécanique qui transporte de la matière
Un phénomène visuel et une onde qui transporte de l’énergie
Un rayonnement dépourvu d’énergie et de propagation
Une substance immobile responsable des couleurs perçues

Un phénomène visuel et une onde qui transporte de l’énergie

Explication

La lumière produit la sensation visuelle et se propage comme une onde transportant de l’énergie. La matière n’est pas transportée globalement par la propagation lumineuse.

4. Comment sont orientés les champs électrique et magnétique dans une onde électromagnétique ?

Ils sont parallèles entre eux mais perpendiculaires à la propagation
Ils sont parallèles entre eux et à la propagation
Ils sont perpendiculaires entre eux mais parallèles à la propagation
Ils sont perpendiculaires entre eux et à la propagation

Ils sont perpendiculaires entre eux et à la propagation

Explication

Une onde électromagnétique est transverse : les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires l’un à l’autre et à la direction de propagation. Une vibration longitudinale possède au contraire une oscillation parallèle à la propagation.

5. Dans quel cadre la propagation rectiligne de la lumière est-elle considérée dans un milieu transparent, homogène et isotrope ?

Dans le cadre de la photométrie énergétique
Dans le cadre de la spectroscopie atomique
Dans le cadre de l’optique géométrique
Dans le cadre de l’optique ondulatoire

Dans le cadre de l’optique géométrique

Explication

L’optique géométrique modélise la lumière par des rayons se propageant en ligne droite dans ce type de milieu. La diffraction et les interférences relèvent plutôt de l’optique ondulatoire.

6. Quelles propriétés définissent un milieu transparent, homogène et isotrope ?

Il absorbe peu la lumière, possède un indice variable et privilégie plusieurs directions.
Il réfléchit toute la lumière, possède un indice constant et privilégie une direction.
Il absorbe peu la lumière, possède un indice constant et ne privilégie aucune direction.
Il diffuse fortement la lumière, possède un indice variable et privilégie une direction.

Il absorbe peu la lumière, possède un indice constant et ne privilégie aucune direction.

Explication

Ce milieu transmet la lumière avec peu ou pas d’absorption, son indice est constant dans l’espace et ses propriétés sont identiques dans toutes les directions. Un indice variable ou une direction privilégiée contredirait respectivement l’homogénéité ou l’isotropie.

7. Quel type de rayons incidents produit un objet situé à l’infini, et que signifie une image située à l’infini ?

L’objet fournit des rayons convergents, tandis que l’image correspond à des rayons émergents divergents.
L’objet fournit des rayons perpendiculaires à l’axe, tandis que l’image correspond à des rayons émergents inclinés.
L’objet fournit des rayons divergents, tandis que l’image correspond à des rayons émergents convergents.
L’objet fournit des rayons parallèles, tandis que l’image correspond à des rayons émergents parallèles.

L’objet fournit des rayons parallèles, tandis que l’image correspond à des rayons émergents parallèles.

Explication

Un objet à l’infini est associé à des rayons incidents parallèles, et une image à l’infini à des rayons émergents parallèles. Les autres configurations décrivent des faisceaux convergents, divergents ou inclinés qui ne correspondent pas à cette définition.

8. Lorsqu’une lumière passe du vide à un milieu matériel transparent, homogène et isotrope, quelle grandeur reste inchangée ?

La vitesse de propagation de la lumière
L’indice de réfraction du milieu traversé
La longueur d’onde de la lumière
La fréquence de la lumière

La fréquence de la lumière

Explication

La fréquence reste constante lors du passage dans le milieu, tandis que la vitesse et la longueur d’onde diminuent. La vitesse dépend de l’indice du milieu et la longueur d’onde s’ajuste pour conserver la même fréquence.

9. Un rayon incident possède un angle orienté i=30∘i=30^\circ ; quelle est la valeur de l’angle réfléchi orienté selon la convention donnée ?

i′=−30∘i'=-30^\circ
i′=30∘i'=30^\circ
i′=60∘i'=60^\circ
i′=0∘i'=0^\circ

$$i'=-30^\circ$$

Explication

La loi de la réflexion s’écrit i=−i′i=-i' : les angles orientés ont des signes opposés et des valeurs absolues égales. Une valeur positive identique correspondrait à une confusion entre angles orientés et valeurs absolues.

10. Quelle comparaison entre les miroirs convexe et concave est correcte ?

Le miroir convexe est divergent et donne une image plus petite, tandis que le concave est convergent et peut agrandir l’image.
Les deux miroirs sont convergents et donnent des images plus grandes que leurs objets.
Le miroir convexe est convergent et donne une image plus grande, tandis que le concave est divergent et réduit l’image.
Les deux miroirs sont divergents et donnent des images plus petites que leurs objets.

Le miroir convexe est divergent et donne une image plus petite, tandis que le concave est convergent et peut agrandir l’image.

Explication

Un miroir convexe disperse les rayons et produit une image réduite, tandis qu’un miroir concave les fait converger et peut produire une image agrandie. Inverser ces comportements constitue la confusion principale entre les deux types de miroirs.

11. Quel trajet suit un rayon incident parallèle à l’axe optique d’une lentille mince convergente ?

Il émer­ge en passant par le foyer principal image F′F'.
Il traverse le centre optique OO sans modification de direction.
Il est réfléchi vers le centre de courbure de la première face.
Il émerge parallèlement après avoir traversé le foyer principal objet FF.

Il émer­ge en passant par le foyer principal image $$F'$$.

Explication

Un rayon incident parallèle à l’axe optique passe, après la lentille, par le foyer principal image F′F'. Le passage sans déviation caractérise le rayon traversant OO, tandis que la réflexion vers un centre de courbure concerne les miroirs.

12. Quelle association décrit correctement une source chaude et une source froide ?

La source chaude émet par luminescence et la source froide par incandescence.
Les deux types de sources émettent principalement par luminescence.
La source chaude émet par incandescence et la source froide par luminescence.
Les deux types de sources émettent principalement par incandescence.

La source chaude émet par incandescence et la source froide par luminescence.

Explication

Une source chaude produit sa lumière par incandescence, tandis qu’une source froide la produit par luminescence. La confusion vient de l’inversion de ces deux mécanismes d’émission.

13. Un milieu transparent, homogène et isotrope a un indice de réfraction égal à n=2n=2. Si la célérité dans le vide vaut cc, quelle est la vitesse de propagation dans ce milieu ?

v=2cv=2c
v=c+2v=c+2
v=2cv=\frac{2}{c}
v=c2v=\frac{c}{2}

$$v=\frac{c}{2}$$

Explication

La relation de propagation est v=cnv=\frac{c}{n} ; avec n=2n=2, on obtient donc v=c2v=\frac{c}{2}. L’expression v=2cv=2c inverse l’effet de l’indice au lieu de le diviser.

14. Quelles caractéristiques définissent les rayons paraxiaux dans les conditions de Gauss ?

Ils sont éloignés de l’axe et fortement inclinés par rapport à celui-ci.
Ils sont proches de l’axe et faiblement inclinés par rapport à celui-ci.
Ils sont parallèles à la surface optique et fortement inclinés.
Ils traversent le système à grande distance de l’axe et sans inclinaison.

Ils sont proches de l’axe et faiblement inclinés par rapport à celui-ci.

Explication

Les conditions de Gauss retiennent des rayons proches de l’axe optique et peu inclinés par rapport à cet axe. Des rayons éloignés ou fortement inclinés sortent de l’approximation paraxiale.

15. Un rayon passe d’un milieu d’indice n1=1,5n_1=1{,}5 à un milieu d’indice n2=1,0n_2=1{,}0 avec un angle d’incidence non nul ; quel comportement peut apparaître lorsque l’incidence augmente suffisamment ?

Une réflexion totale après dépassement d’une incidence limite.
Une réfraction qui se rapproche progressivement de la normale.
Une disparition de la réflexion au profit d’un rayon parallèle.
Une réfraction présente pour toute valeur d’incidence.

Une réflexion totale après dépassement d’une incidence limite.

Explication

Lorsque le second milieu est moins réfringent, le rayon réfracté s’éloigne de la normale et cesse d’exister au-delà d’un angle limite, ce qui entraîne une réflexion totale. La réfraction n’est donc pas assurée pour toutes les incidences dans ce cas.

16. Quel énoncé décrit correctement une lentille mince et l’action d’un rayon passant par son centre optique OO ?

Une lentille associe deux dioptres de même axe, et un rayon passant par OO n’est pas dévié.
Une lentille associe deux dioptres d’axes différents, et un rayon passant par OO ressort parallèle.
Une lentille possède un seul dioptre, et un rayon passant par OO est dévié vers l’axe.
Une lentille associe deux miroirs sphériques, et un rayon passant par OO est réfléchi vers le foyer.

Une lentille associe deux dioptres de même axe, et un rayon passant par $$O$$ n’est pas dévié.

Explication

Une lentille est formée de deux dioptres ayant un même axe optique, et, dans l’approximation de la lentille mince, le rayon traversant le centre optique n’est pas modifié. Les autres propositions attribuent à la lentille une structure ou une déviation qui ne lui correspondent pas.

17. Quelle expérience met principalement en évidence la nature ondulatoire de la lumière ?

L’observation d’interférences produites par deux fentes
L’étude de l’émission lumineuse d’un métal chauffé
La mesure de l’énergie libérée par un photon isolé
La détection d’électrons arrachés par un rayonnement

L’observation d’interférences produites par deux fentes

Explication

Les interférences par deux fentes, comme la diffraction par un fil, révèlent le comportement ondulatoire de la lumière. L’arrachement d’électrons par un rayonnement caractérise plutôt l’aspect corpusculaire.

18. Quelle relation décrit la disposition des rayons incident, réfléchi et réfracté lors d’une interaction avec une surface séparant deux milieux ?

Ils se répartissent dans deux plans perpendiculaires.
Ils sont tous perpendiculaires à la surface séparatrice.
Ils suivent tous une direction parallèle à la surface.
Ils appartiennent tous au même plan d’incidence.

Ils appartiennent tous au même plan d’incidence.

Explication

Les rayons incident, réfléchi et réfracté sont coplanaires dans le plan d’incidence. La normale sert à mesurer les angles dans ce plan, mais elle ne constitue pas à elle seule le plan contenant les trois rayons.

19. Dans l’expression y(x,t)=Asin⁡(ωt−kx+γ)y(x,t)=A\sin(\omega t-kx+\gamma), quelle grandeur représente l’amplitude de la perturbation ?

La phase initiale γ\gamma dans l’argument
Le coefficient AA placé devant le sinus
La pulsation ω\omega associée au temps
Le nombre d’onde kk associé à la position

Le coefficient $$A$$ placé devant le sinus

Explication

Dans cette expression sinusoïdale, AA fixe la valeur maximale de la perturbation et correspond donc à l’amplitude. La pulsation, le nombre d’onde et la phase déterminent respectivement l’évolution temporelle, spatiale et le décalage de l’oscillation.

20. Quelle équation permet de déterminer l’angle réfracté lors du passage entre deux milieux d’indices n1n_1 et n2n_2 ?

n1cos⁡i=n2cos⁡rn_1\cos i=n_2\cos r
n1sin⁡i=n2sin⁡rn_1\sin i=n_2\sin r
n1sin⁡r=n2sin⁡in_1\sin r=n_2\sin i
n1i=n2rn_1 i=n_2 r

$$n_1\sin i=n_2\sin r$$

Explication

La loi de Snell-Descartes relie les indices et les angles par n1sin⁡i=n2sin⁡rn_1\sin i=n_2\sin r. Une relation fondée sur les cosinus ou sur les angles eux-mêmes ne correspond pas à cette loi de réfraction.

21. Selon la relation énergétique du photon, comment varie son énergie lorsque sa longueur d’onde diminue ?

Elle devient nulle lorsque λ\lambda diminue
Elle augmente selon E=hcλE=\frac{hc}{\lambda}
Elle diminue selon E=hλcE=\frac{h\lambda}{c}
Elle reste constante quelle que soit λ\lambda

Elle augmente selon $$E=\frac{hc}{\lambda}$$

Explication

L’énergie d’un photon vérifie E=hf=hcλE=hf=\frac{hc}{\lambda} : elle augmente lorsque la longueur d’onde diminue. La relation inverse proposée dans un distracteur ne correspond pas à l’expression de l’énergie photonique.

22. Qu’est-ce qu’un dioptre en optique ?

Un rayon lumineux traversant un milieu sans changer de direction
Une surface réfléchissante séparant deux milieux transparents d’indices identiques
Un ensemble de miroirs disposés autour d’un axe commun
Une surface réfractante séparant deux milieux transparents d’indices différents

Une surface réfractante séparant deux milieux transparents d’indices différents

Explication

Un dioptre est une surface réfractante située entre deux milieux transparents, homogènes et isotropes dont les indices diffèrent. Un miroir constitue une surface réfléchissante et ne correspond donc pas à cette définition.

23. Quelle relation géométrique caractérise le foyer d’un miroir sphérique ?

Le foyer est situé au centre CC, sans distance intermédiaire.
Le foyer est situé sur le sommet SS, à la surface du miroir.
Le foyer est situé à mi-chemin entre le sommet SS et le centre CC.
Le foyer est situé au-delà du centre CC, à une distance double de SCSC.

Le foyer est situé à mi-chemin entre le sommet $$S$$ et le centre $$C$$.

Explication

Pour un miroir sphérique, les foyers objet et image sont confondus en position et se trouvent à mi-chemin entre SS et CC. Le centre de courbure et le sommet définissent donc les extrémités du segment sur lequel se situe le foyer.

24. Une onde possède une pulsation ω\omega et un nombre d’onde kk ; quelles relations donnent sa période et sa longueur d’onde ?

T=1ωT=\frac{1}{\omega} et λ=1k\lambda=\frac{1}{k}
T=ω2πT=\frac{\omega}{2\pi} et λ=k2π\lambda=\frac{k}{2\pi}
T=2πωT=\frac{2\pi}{\omega} et λ=2πk\lambda=\frac{2\pi}{k}
T=2πωT=2\pi\omega et λ=2πk\lambda=2\pi k

$$T=\frac{2\pi}{\omega}$$ et $$\lambda=\frac{2\pi}{k}$$

Explication

La période temporelle vaut T=2πωT=\frac{2\pi}{\omega} et la longueur d’onde vaut λ=2πk\lambda=\frac{2\pi}{k}. La période décrit une répétition dans le temps, tandis que la longueur d’onde décrit une répétition dans l’espace.

25. Quelle valeur correspond à la célérité exacte d’une onde électromagnétique dans le vide ?

3×108 km/s3\times10^{8}\ \mathrm{km/s}
3×106 m/s3\times10^{6}\ \mathrm{m/s}
299 792 458 m/s299\,792\,458\ \mathrm{m/s}
299 792 m/s299\,792\ \mathrm{m/s}

$$299\,792\,458\ \mathrm{m/s}$$

Explication

Dans le vide, la célérité électromagnétique est exactement c=299 792 458 m/sc=299\,792\,458\ \mathrm{m/s}, soit environ 3×108 m/s3\times10^{8}\ \mathrm{m/s}. Dans un milieu matériel, la vitesse de propagation est généralement inférieure à cette valeur.

26. Que transporte une onde lors de la propagation d’une perturbation ?

Une modification locale sans transfert d’énergie
Un déplacement global et permanent de toute la matière
Une succession de particules qui quittent leur milieu
Une perturbation et de l’énergie à travers le milieu

Une perturbation et de l’énergie à travers le milieu

Explication

Une onde propage une perturbation et de l’énergie dans un milieu ou dans des champs. Les particules du milieu oscillent généralement autour de leur position sans déplacement global permanent.

27. Quelle transformation d’énergie caractérise la bioluminescence ?

Une énergie électrique est transformée en énergie lumineuse.
Une énergie chimique est transformée en énergie lumineuse.
Une énergie thermique est transformée en énergie lumineuse.
Une énergie lumineuse est transformée en énergie chimique.

Une énergie chimique est transformée en énergie lumineuse.

Explication

La bioluminescence résulte de la transformation d’une énergie chimique en énergie lumineuse. La photoluminescence repose au contraire sur une énergie lumineuse reçue puis réémise sous forme lumineuse.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 46 flashcards sur Optique géométrique et lumière.

Qu'est-ce que la lumière ?

Un phénomène à l'origine de la sensation visuelle et une onde transportant de l'énergie.

Dans quels domaines la lumière intervient-elle ?

La bioluminescence, la photoluminescence, la photosynthèse, l'imagerie médicale et les télécommunications par fibre optique.

Qu'ont démontré les expériences de diffraction et d'interférences sur la lumière ?

La nature ondulatoire de la lumière.

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Consultez la fiche de révision complète sur Optique géométrique et lumière.

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