QCM : Optique géométrique et prisme — 23 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quel phénomène relève principalement de l’optique géométrique ?

L’étude des interférences produites par deux ondes lumineuses
La description des champs électrique et magnétique d’une onde
La détermination de la trajectoire des rayons et de la formation des images
L’analyse de la diffraction d’une lumière par une ouverture

La détermination de la trajectoire des rayons et de la formation des images

Explication

L’optique géométrique représente la propagation de la lumière par des rayons afin d’étudier leurs trajectoires et la formation des images. Les interférences et la diffraction relèvent plutôt de l’optique ondulatoire.

2. Quelle description compare correctement les modèles corpusculaire et ondulatoire de la lumière ?

Le modèle corpusculaire invoque des photons, tandis que le modèle ondulatoire invoque des champs électrique et magnétique
Les deux modèles décrivent la lumière comme un flux de particules électriquement chargées
Le modèle corpusculaire invoque des champs, tandis que le modèle ondulatoire invoque un flux de photons
Les deux modèles décrivent la lumière comme une onde mécanique se propageant dans un milieu

Le modèle corpusculaire invoque des photons, tandis que le modèle ondulatoire invoque des champs électrique et magnétique

Explication

Le modèle corpusculaire représente la lumière comme un flux de photons, alors que le modèle ondulatoire la décrit comme une onde électromagnétique. Cette onde associe des champs électrique et magnétique perpendiculaires entre eux et à la propagation.

3. L’énergie d’un photon est-elle plus grande lorsque sa fréquence augmente ?

Non, car tous les photons ont la même énergie dans le vide
Oui, car l’énergie suit la relation E=hνE=h\nu
Non, car l’énergie dépend de la vitesse de propagation plutôt que de la fréquence
Oui, car l’énergie suit la relation E=hνE=\frac{h}{\nu}

Oui, car l’énergie suit la relation $$E=h\nu$$

Explication

La relation E=hνE=h\nu montre que l’énergie du photon est proportionnelle à sa fréquence. La relation inverse proposée ne correspond pas à l’énergie d’un photon, même si la vitesse dans le vide est constante.

4. Quelle idée est associée à la dualité onde-corpuscule de la lumière ?

La lumière possède à la fois un aspect ondulatoire et un aspect corpusculaire
La lumière est une onde dans le vide et une particule dans la matière
La lumière est une onde mécanique accompagnée de particules matérielles
La lumière est composée de particules dépourvues de propriétés ondulatoires

La lumière possède à la fois un aspect ondulatoire et un aspect corpusculaire

Explication

La dualité onde-corpuscule affirme que la lumière possède simultanément des aspects ondulatoire et corpusculaire. Elle ne signifie pas que ces aspects apparaissent selon le milieu traversé.

5. Une onde lumineuse a une fréquence de 6,0×1014 Hz6{,}0\times10^{14}\ \mathrm{Hz}. Quelle relation permet de déterminer sa longueur d’onde dans le vide ?

λ0=cν\lambda_0=c\nu
λ0=cν\lambda_0=\frac{c}{\nu}
λ0=1ν\lambda_0=\frac{1}{\nu}
λ0=νc\lambda_0=\frac{\nu}{c}

$$\lambda_0=\frac{c}{\nu}$$

Explication

Dans le vide, la longueur d’onde vérifie λ0=cν\lambda_0=\frac{c}{\nu}. La relation T=1νT=\frac{1}{\nu} concerne la période temporelle et non la longueur d’onde, qui est une grandeur spatiale.

6. Quelle affirmation décrit correctement le domaine visible et la sensibilité maximale de l’œil humain ?

Le visible couvre environ 400 à 560 nm, avec une sensibilité maximale vers 750 nm
Le visible couvre environ 200 à 400 nm, avec une sensibilité maximale vers 300 nm
Le visible couvre environ 560 à 750 nm, avec une sensibilité maximale vers 400 nm
Le visible couvre environ 400 à 750 nm, avec une sensibilité maximale vers 560 nm

Le visible couvre environ 400 à 750 nm, avec une sensibilité maximale vers 560 nm

Explication

Le domaine visible s’étend approximativement de 400 nm à 750 nm, tandis que la sensibilité de l’œil atteint son maximum autour de 560 nm. La valeur de 560 nm décrit donc une sensibilité maximale et non une limite du visible.

7. Quelle condition caractérise le rayonnement d’un corps noir ?

Un métal refroidi à température variable absorbe un spectre composé de raies isolées
Un gaz excité à basse pression émet des raies lumineuses à des longueurs d’onde distinctes
Une source monochromatique produit une lumière concentrée autour d’une seule longueur d’onde
Un corps incandescent maintenu à température constante émet un spectre électromagnétique continu

Un corps incandescent maintenu à température constante émet un spectre électromagnétique continu

Explication

Le rayonnement du corps noir est un spectre électromagnétique continu émis par un corps porté à l’incandescence et maintenu à température constante. Un gaz excité à basse pression est plutôt associé à un spectre de raies.

8. Selon la loi de Wien, comment évolue la longueur d’onde du maximum d’intensité lorsque la température augmente ?

Elle reste constante car elle ne dépend pas de la température
Elle augmente selon λmax⁡=2,9×10−3 m K×T\lambda_{\max}=2{,}9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}\times T
Elle diminue selon λmax⁡=2,9×10−3 m KT\lambda_{\max}=\frac{2{,}9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}}{T}
Elle devient égale à la température selon λmax⁡=T\lambda_{\max}=T

Elle diminue selon $$\lambda_{\max}=\frac{2{,}9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}}{T}$$

Explication

La loi de Wien donne λmax⁡=2,9×10−3 m KT\lambda_{\max}=\frac{2{,}9\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}}{T}, donc une hausse de la température entraîne une diminution de la longueur d’onde au maximum d’intensité. Une relation de proportionnalité directe inverserait cette tendance.

9. Quelle est la composition massique approximative du Soleil, considéré comme une naine jaune ?

Environ 26 % d’hydrogène et 74 % d’hélium
Environ 50 % d’hydrogène et 50 % d’hélium
Environ 74 % d’hydrogène et 26 % d’hélium
Environ 90 % d’hélium et 10 % d’hydrogène

Environ 74 % d’hydrogène et 26 % d’hélium

Explication

Le Soleil contient approximativement 74 % d’hydrogène et 26 % d’hélium en masse. L’hélium est donc important dans sa composition, mais il n’est pas l’élément majoritaire.

10. Quelle transformation nucléaire alimente principalement l’énergie produite au cœur du Soleil ?

La combustion de l’oxygène en carbone, avec production de rayons infrarouges
La fusion de l’hydrogène en hélium, avec production initiale de photons gamma
La désintégration du fer en éléments légers, avec émission de photons ultraviolets
La fission de l’hélium en hydrogène, avec émission directe de lumière visible

La fusion de l’hydrogène en hélium, avec production initiale de photons gamma

Explication

La fusion nucléaire transforme l’hydrogène en hélium et libère d’abord de l’énergie sous forme de photons gamma. Ces photons perdent ensuite de l’énergie avant que le rayonnement n’atteigne la photosphère.

11. Quelle caractéristique décrit correctement le spectre produit par la photosphère solaire ?

Un spectre continu froid dépourvu de raies provenant des atomes solaires
Un spectre limité aux longueurs d’onde jaunes émises par l’hélium solaire
Un spectre quasi continu d’environ 6000 K avec des raies de Fraunhofer d’absorption
Un spectre composé de raies brillantes correspondant aux transitions des gaz excités

Un spectre quasi continu d’environ 6000 K avec des raies de Fraunhofer d’absorption

Explication

La photosphère, dont la température est proche de 6000 K, produit un spectre quasi continu marqué par des raies de Fraunhofer. Ces raies résultent de l’absorption de certaines longueurs d’onde par les atomes présents dans les couches solaires.

12. Comment une lampe spectrale produit-elle les raies observées dans son spectre ?

Des atomes froids absorbent toutes les longueurs d’onde sauf celles correspondant à leur température
Des électrons libres traversent le gaz et produisent un rayonnement continu sans transitions atomiques
Des atomes excités par une décharge reviennent à l’état fondamental en émettant des photons
Des molécules chauffées se dissocient et transforment directement leur énergie en raies lumineuses

Des atomes excités par une décharge reviennent à l’état fondamental en émettant des photons

Explication

Dans une lampe spectrale, la décharge électrique excite les atomes, puis leur retour vers l’état fondamental s’accompagne de l’émission de photons. Leurs transitions électroniques déterminent les longueurs d’onde des raies.

13. Quelles longueurs d’onde caractérisent principalement les deux raies jaunes du sodium ?

400,0 nm et 450,0 nm, associées à des transitions entre 3s et 2p
486,1 nm et 656,3 nm, associées à des transitions entre 2p et 1s
532,0 nm et 546,1 nm, associées à une transition entre 4s et 3p
589,0 nm et 589,6 nm, associées à une transition entre 3p et 3s

589,0 nm et 589,6 nm, associées à une transition entre 3p et 3s

Explication

Le sodium présente principalement deux raies jaunes à 589,0 nm et 589,6 nm, correspondant à une transition électronique entre les niveaux 3p et 3s. Ces raies permettent d’identifier cet élément, contrairement à un spectre continu.

14. Quel mécanisme explique l’amplification de la lumière dans un laser ?

L’émission stimulée, par laquelle un photon incident provoque l’émission d’un photon jumeau dans une cavité optique
L’émission spontanée, par laquelle chaque atome produit un photon de direction et de phase aléatoires
La diffusion thermique, par laquelle les collisions orientent progressivement les photons dans la cavité
L’absorption résonante, par laquelle les photons sont convertis en électrons puis multipliés dans le milieu

L’émission stimulée, par laquelle un photon incident provoque l’émission d’un photon jumeau dans une cavité optique

Explication

Un laser repose sur l’émission stimulée : un photon incident déclenche l’émission d’un photon jumeau, ce qui permet une amplification en cascade dans la cavité optique. L’émission spontanée produit au contraire des photons désordonnés et ne fournit pas cette cohérence.

15. Dans quelle situation l’approximation de l’optique géométrique est-elle pertinente ?

Lorsque la longueur d’onde est nulle, ce qui impose une propagation rectiligne parfaite
Lorsque la taille caractéristique du milieu vérifie la condition L≫λL\gg\lambda
Lorsque la longueur d’onde est beaucoup plus grande que la taille caractéristique, soit λ≫L\lambda\gg L
Lorsque la taille du milieu et la longueur d’onde sont du même ordre, soit L≈λL\approx\lambda

Lorsque la taille caractéristique du milieu vérifie la condition $$L\gg\lambda$$

Explication

L’optique géométrique est valable lorsque la taille caractéristique du milieu est très grande devant la longueur d’onde, ce qui s’écrit L≫λL\gg\lambda. Lorsque ces deux grandeurs sont comparables, les effets ondulatoires deviennent importants.

16. Quelle hypothèse caractérise le traitement des rayons lumineux dans un milieu transparent en optique géométrique ?

Les rayons se superposent nécessairement pour former des franges d’interférence
Les rayons s’influencent mutuellement lorsqu’ils traversent la même région du milieu
Chaque rayon doit conserver une phase commune avec tous les autres rayons
Les trajets des différents rayons sont considérés comme indépendants

Les trajets des différents rayons sont considérés comme indépendants

Explication

L’optique géométrique suppose que les trajets des différents rayons lumineux sont indépendants dans un milieu transparent. Les interférences relèvent au contraire d’une description ondulatoire fondée sur la superposition des ondes.

17. Dans un milieu homogène, transparent et isotrope, que permet d’affirmer le principe du retour inverse concernant un trajet lumineux ?

La lumière suit un trajet différent après chaque changement de sens
Le trajet dépend de l’orientation choisie pour observer le rayon
Le trajet reste identique lorsque le sens de propagation est inversé
Les angles des rayons conservent les mêmes notations dans les deux sens

Le trajet reste identique lorsque le sens de propagation est inversé

Explication

Le principe du retour inverse établit que le trajet lumineux ne dépend pas du sens de parcours dans un milieu homogène, transparent et isotrope. En revanche, les appellations de rayon incident et de rayon réfracté peuvent changer lorsque la propagation est inversée.

18. Un rayon passe d’un milieu d’indice n1n_1 à un milieu d’indice n2n_2 avec les angles i1i_1 et i2i_2 ; quelle relation décrit sa réfraction ?

n1cos⁡i1=n2cos⁡i2n_1\cos i_1=n_2\cos i_2
n1sin⁡i1=n2sin⁡i2n_1\sin i_1=n_2\sin i_2
i1=i2i_1=i_2
i1+i2=90∘i_1+i_2=90^{\circ}

$$n_1\sin i_1=n_2\sin i_2$$

Explication

La réfraction obéit à la relation de Snell-Descartes n1sin⁡i1=n2sin⁡i2n_1\sin i_1=n_2\sin i_2, qui relie les angles aux indices des deux milieux. L’égalité i1=i2i_1=i_2 caractérise la réflexion, pas la réfraction en général.

19. Lorsqu’un rayon lumineux entre dans un milieu d’indice plus élevé, comment évolue sa direction par rapport à la normale ?

Il s’éloigne de la normale
Il conserve toujours sa direction initiale
Il se rapproche de la normale
Il devient parallèle à la surface

Il se rapproche de la normale

Explication

Un milieu d’indice plus élevé est plus réfringent : le rayon réfracté se rapproche alors de la normale. L’éloignement de la normale correspond au passage vers un milieu moins réfringent.

20. Dans les relations d’un prisme, laquelle exprime une relation géométrique entre les angles internes et l’angle du prisme ?

sin⁡i=nsin⁡r\sin i=n\sin r
r+r′=Ar+r'=A
D=i+i′−AD=i+i'-A
sin⁡i′=nsin⁡r′\sin i'=n\sin r'

$$r+r'=A$$

Explication

La relation r+r′=Ar+r'=A découle de la géométrie du prisme et relie les angles internes à son angle au sommet. Les relations contenant les sinus décrivent la réfraction aux faces, tandis que D=i+i′−AD=i+i'-A définit la déviation.

21. Quelle description caractérise correctement un prisme optique ?

Un dispositif métallique comportant deux surfaces réfléchissantes inclinées
Un milieu opaque limité par une face plane et une surface cylindrique
Un milieu transparent, homogène et isotrope limité par deux faces planes et une base
Une interface courbe séparant deux milieux transparents d’indices différents

Un milieu transparent, homogène et isotrope limité par deux faces planes et une base

Explication

Un prisme est un milieu transparent, homogène et optiquement isotrope délimité par deux faces planes et une base. Une interface entre deux milieux d’indices différents correspond plutôt à un dioptre.

22. Selon la loi de Cauchy, comment s’écrit l’indice nn d’un prisme en fonction de la longueur d’onde λ\lambda ?

n(λ)=A−Bλ2n(\lambda)=A-\frac{B}{\lambda^2}
n(λ)=A+Bλ2n(\lambda)=A+B\lambda^2
n(λ)=A+Bλ2n(\lambda)=A+\frac{B}{\lambda^2}
n(λ)=A+Bλ2n(\lambda)=\frac{A+B}{\lambda^2}

$$n(\lambda)=A+\frac{B}{\lambda^2}$$

Explication

La loi de Cauchy s’écrit n(λ)=A+Bλ2n(\lambda)=A+\frac{B}{\lambda^2}. Cette dépendance implique que l’indice augmente lorsque la longueur d’onde diminue, du rouge vers le violet.

23. À angle d’incidence et angle de prisme constants, quelle couleur subit la plus grande déviation dans un prisme dispersif ?

Le rouge, car sa longueur d’onde est plus grande
Le violet, car son indice de réfraction est plus élevé
Le rouge, car son indice de réfraction est plus élevé
Le violet, car sa longueur d’onde est plus grande

Le violet, car son indice de réfraction est plus élevé

Explication

La déviation augmente avec l’indice du prisme, et l’indice est plus élevé pour les courtes longueurs d’onde du violet. Le rouge, dont la longueur d’onde est plus grande, est donc moins dévié.

Révisez avec les flashcards

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Que décrit l'optique géométrique concernant la lumière ?

La trajectoire des rayons lumineux et la formation des images.

Comment le modèle corpusculaire décrit-il la lumière ?

Comme un flux de photons.

Comment le modèle ondulatoire décrit-il la lumière ?

Comme une onde électromagnétique avec champs électrique et magnétique perpendiculaires.

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