QCM : Optique ondulatoire, géométrique et laser — 28 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle distinction décrit correctement les trois modèles utilisés pour représenter la lumière ?

Le modèle ondulatoire décrit les rayons, tandis que les modèles géométrique et corpusculaire décrivent les photons et les ondes.
Le modèle géométrique décrit les photons, tandis que les modèles ondulatoire et corpusculaire décrivent les rayons et les ondes.
Le modèle géométrique décrit les rayons, tandis que les modèles ondulatoire et corpusculaire décrivent les ondes et les photons.
Le modèle corpusculaire décrit les ondes, tandis que les modèles géométrique et ondulatoire décrivent les rayons et les photons.

Le modèle géométrique décrit les rayons, tandis que les modèles ondulatoire et corpusculaire décrivent les ondes et les photons.

Explication

Le modèle géométrique représente la lumière par des rayons, le modèle ondulatoire par des ondes et le modèle corpusculaire par des photons. Ces descriptions sont complémentaires et ne doivent pas être confondues entre elles.

2. Quelle plage de longueurs d’onde correspond approximativement à la lumière visible ?

De 400 nm pour le rouge à 780 nm pour le violet.
De 100 nm pour le violet à 400 nm pour le rouge.
De 400 nm pour le violet à 780 nm pour le rouge.
De 780 nm pour le violet à 1 200 nm pour le rouge.

De 400 nm pour le violet à 780 nm pour le rouge.

Explication

La lumière visible s’étend approximativement de 400 nm, associé au violet, à 780 nm, associé au rouge. Les longueurs d’onde augmentent donc globalement du violet vers le rouge.

3. Quelle description correspond à une onde électromagnétique ?

La propagation successive de deux champs électriques parallèles à la direction de propagation.
La propagation d’un champ magnétique isolé perpendiculaire à un champ gravitationnel.
La propagation couplée de champs électrique et magnétique perpendiculaires entre eux et à la propagation.
La propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique colinéaires à la direction de propagation.

La propagation couplée de champs électrique et magnétique perpendiculaires entre eux et à la propagation.

Explication

Une onde électromagnétique associe un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaires l’un à l’autre ainsi qu’à la direction de propagation. La présence de champs colinéaires ou d’un champ isolé ne correspond pas à cette définition.

4. Dans le vide, comment varie la célérité de la lumière lorsque sa fréquence change ?

Elle diminue avec la fréquence en raison de la dispersion du vide.
Elle reste voisine de c=3×108 m s−1c=3\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, indépendamment de la fréquence.
Elle dépend du référentiel et varie lorsque l’observateur change de mouvement.
Elle augmente avec la fréquence selon une relation de proportionnalité directe.

Elle reste voisine de $$c=3\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$$, indépendamment de la fréquence.

Explication

Dans le vide, la lumière se propage à une célérité voisine de 3×108 m s−13\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, indépendante de sa fréquence et du référentiel d’étude. La dépendance à la fréquence caractérise plutôt un milieu dispersif.

5. Un milieu dans lequel la lumière se propage à la vitesse vv possède quel indice de réfraction absolu ?

n=vc=λλ0n=\frac{v}{c}=\frac{\lambda}{\lambda_0}
n=c−v=λ0−λn=c-v=\lambda_0-\lambda
n=c v=λ0λn=c\,v=\lambda_0\lambda
n=cv=λ0λn=\frac{c}{v}=\frac{\lambda_0}{\lambda}

$$n=\frac{c}{v}=\frac{\lambda_0}{\lambda}$$

Explication

L’indice de réfraction est le rapport entre la célérité dans le vide et celle dans le milieu, soit n=cvn=\frac{c}{v}, ce qui équivaut à λ0λ\frac{\lambda_0}{\lambda}. Il s’agit donc d’un rapport sans dimension et non d’une vitesse.

6. Que se passe-t-il pour une onde lumineuse lors de son passage d’un milieu à un autre ?

La célérité reste constante, tandis que la fréquence et la longueur d’onde changent.
La fréquence reste constante, tandis que la célérité et la longueur d’onde changent.
La fréquence et la longueur d’onde restent constantes, tandis que la célérité change.
La longueur d’onde reste constante, tandis que la fréquence et la célérité changent.

La fréquence reste constante, tandis que la célérité et la longueur d’onde changent.

Explication

À une interface, la fréquence est imposée par la source et reste constante, alors que la célérité dépend du milieu. Comme v=λνv=\lambda\nu, la longueur d’onde varie également lorsque la célérité change.

7. Quel phénomène décrit la diffraction d’une onde lumineuse ?

Une déviation et un étalement de l’onde au voisinage d’une ouverture ou d’un obstacle.
Une réflexion de l’onde sur une surface avec inversion de sa direction de propagation.
Un changement de direction provoqué par le passage de l’onde dans un autre milieu.
Une absorption progressive de l’onde lors de sa traversée d’un matériau.

Une déviation et un étalement de l’onde au voisinage d’une ouverture ou d’un obstacle.

Explication

La diffraction correspond à la déviation et à l’étalement d’une onde lorsqu’elle rencontre une ouverture ou un obstacle. Le changement de direction lors d’un changement de milieu relève de la réfraction, et non de la diffraction.

8. Dans l’expérience des fentes d’Young, quelle relation permet de calculer l’interfrange ?

i=aDλi=\frac{aD}{\lambda}
i=λ+D+ai=\lambda+D+a
i=λaDi=\frac{\lambda a}{D}
i=λDai=\frac{\lambda D}{a}

$$i=\frac{\lambda D}{a}$$

Explication

L’interfrange des franges de Young est donnée par i=λDai=\frac{\lambda D}{a}, où λ\lambda est la longueur d’onde, DD la distance entre les fentes et l’écran, et aa l’écartement des fentes. Une augmentation de DD ou de λ\lambda agrandit donc l’interfrange, tandis qu’une augmentation de aa le réduit.

9. Quelle différence de marche produit une frange brillante dans l’expérience des fentes d’Young ?

Une différence de marche δ=λ4+kλ\delta=\frac{\lambda}{4}+k\lambda, avec kk entier.
Une différence de marche δ=(2k+1)λ2\delta=(2k+1)\frac{\lambda}{2}, avec kk entier.
Une différence de marche δ=kλ\delta=k\lambda, avec kk entier.
Une différence de marche δ=λ2k+1\delta=\frac{\lambda}{2k+1}, avec kk entier.

Une différence de marche $$\delta=k\lambda$$, avec $$k$$ entier.

Explication

Une différence de marche égale à un multiple entier de la longueur d’onde, δ=kλ\delta=k\lambda, produit une interférence constructive et une frange brillante. La condition demi-entière δ=(2k+1)λ2\delta=(2k+1)\frac{\lambda}{2} correspond au contraire à une frange sombre.

10. Comment l’énergie d’un photon dépend-elle de la fréquence du rayonnement ?

Elle est proportionnelle au carré de la fréquence selon E=hν2E=h\nu^2.
Elle est inversement proportionnelle à la fréquence selon E=hνE=\frac{h}{\nu}.
Elle est indépendante de la fréquence et vaut E=hE=h.
Elle est proportionnelle à la fréquence selon E=hνE=h\nu.

Elle est proportionnelle à la fréquence selon $$E=h\nu$$.

Explication

L’énergie d’un photon est donnée par E=hνE=h\nu, où hh est la constante de Planck et ν\nu la fréquence. Un rayonnement de fréquence plus élevée possède donc des photons individuellement plus énergétiques, contrairement à la relation inverse proposée.

11. Un rayon lumineux arrive sur un miroir avec un angle d’incidence de 35∘35^\circ par rapport à la normale ; quel est son angle de réflexion ?

70∘70^\circ
35∘35^\circ
Il dépend de l’indice du milieu
55∘55^\circ

$$35^\circ$$

Explication

La loi de la réflexion impose l’égalité entre l’angle d’incidence et l’angle de réflexion, mesurés par rapport à la normale. L’angle de réfraction, contrairement à celui de réflexion, dépend des indices des deux milieux.

12. Quelle relation permet de déterminer l’angle de réfraction lorsqu’un rayon passe d’un milieu d’indice n1n_1 à un milieu d’indice n2n_2 ?

n1cos⁡i=n2cos⁡rn_1\cos i=n_2\cos r
n1sin⁡i=n2sin⁡rn_1\sin i=n_2\sin r
n1i=n2rn_1 i=n_2 r
i+r=90∘i+r=90^\circ

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

Explication

La loi de Snell-Descartes relie les indices aux sinus des angles d’incidence et de réfraction 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.

13. Lorsqu’un rayon passe d’un milieu d’indice n1=1,0n_1=1{,}0 à un milieu d’indice n2=1,5n_2=1{,}5, comment évolue-t-il par rapport à la normale ?

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

Il se rapproche de la normale.

Explication

Comme n1<n2n_1<n_2, le rayon réfracté se rapproche de la normale. L’éloignement de la normale correspond au cas où le second milieu possède un indice plus faible.

14. Pour un passage d’un milieu d’indice n1=1,5n_1=1{,}5 vers un milieu d’indice n2=1,0n_2=1{,}0, quelle expression donne l’angle limite de réflexion totale ?

sin⁡ilimite=1,01,5\sin i_{\mathrm{limite}}=\frac{1{,}0}{1{,}5}
cos⁡ilimite=1,01,5\cos i_{\mathrm{limite}}=\frac{1{,}0}{1{,}5}
sin⁡ilimite=1,51,0\sin i_{\mathrm{limite}}=\frac{1{,}5}{1{,}0}
sin⁡ilimite=1,5−1,0\sin i_{\mathrm{limite}}=1{,}5-1{,}0

$$\sin i_{\mathrm{limite}}=\frac{1{,}0}{1{,}5}$$

Explication

Lorsque n1>n2n_1>n_2, l’angle limite vérifie sin⁡ilimite=n2n1\sin i_{\mathrm{limite}}=\frac{n_2}{n_1}, ce qui donne ici 1,01,5\frac{1{,}0}{1{,}5}. Le rapport inverse serait supérieur à un et ne pourrait pas représenter le sinus d’un angle réel.

15. Quelle propriété caractérise un système optique stigmatique ?

Les rayons lumineux sont absorbés au niveau du système.
Les rayons issus d’un point objet forment deux images distinctes.
Les rayons issus d’un point objet convergent vers un point image unique.
Les rayons parallèles ressortent avec une direction inchangée.

Les rayons issus d’un point objet convergent vers un point image unique.

Explication

Un système stigmatique associe à un point objet un point image unique vers lequel convergent les rayons correspondants. La formation de plusieurs foyers ou de plusieurs images relève plutôt d’un comportement astigmatique.

16. Quelle distinction décrit correctement une image réelle et une image virtuelle ?

Une image virtuelle correspond toujours à une image renversée, contrairement à une image réelle.
Une image réelle peut être recueillie sur un écran, contrairement à une image virtuelle.
Une image virtuelle peut être recueillie sur un écran, contrairement à une image réelle.
Une image réelle provient de rayons divergents prolongés, contrairement à une image virtuelle.

Une image réelle peut être recueillie sur un écran, contrairement à une image virtuelle.

Explication

Une image réelle résulte de la convergence effective des rayons et peut donc être projetée sur un écran. Une image virtuelle est construite par le prolongement de rayons divergents et ne se matérialise pas sur un écran.

17. Pour un miroir sphérique de rayon de courbure orienté par la distance SCSC, quelle relation donne la position de ses foyers ?

SF+SF′=SCSF+SF'=SC
SF=SF′=2SCSF=SF'=2SC
SF=SF′=SC2SF=SF'=SC^2
SF=SF′=SC2SF=SF'=\frac{SC}{2}

$$SF=SF'=\frac{SC}{2}$$

Explication

Dans l’approximation utilisée pour un miroir sphérique, chacun des foyers est situé à une distance algébrique égale à la moitié du rayon de courbure, soit SF=SF′=SC2SF=SF'=\frac{SC}{2}. Le miroir plan constitue un cas différent, associé à un rayon de courbure considéré comme infini.

18. Comment définit-on un dioptre en optique géométrique ?

Une lentille composée de deux surfaces réfléchissantes courbes.
Une surface séparant deux milieux transparents homogènes et isotropes d’indices différents.
Un miroir séparant deux régions opaques de même indice.
Une ouverture séparant deux faisceaux lumineux parallèles.

Une surface séparant deux milieux transparents homogènes et isotropes d’indices différents.

Explication

Un dioptre est une surface de séparation entre deux milieux transparents, homogènes et isotropes dont les indices de réfraction diffèrent. Une surface réfléchissante correspond plutôt à un miroir, tandis qu’une lentille possède deux faces réfractantes.

19. Pour un dioptre sphérique, de quels paramètres dépend la vergence ?

Des indices des deux milieux et du rayon de courbure.
De l’angle d’incidence et de la hauteur de l’objet.
De la distance focale d’une lentille mince et de son diamètre.
De la seule distance entre l’objet et son image.

Des indices des deux milieux et du rayon de courbure.

Explication

La vergence d’un dioptre sphérique est donnée par V=n2−n1SCV=\frac{n_2-n_1}{SC} ; elle dépend donc des deux indices et du rayon de courbure. La relation V=1OF′V=\frac{1}{OF'} concerne la lentille mince, et non le dioptre sphérique.

20. Une lentille mince possède une distance focale image OF′=0,20 mOF'=0{,}20\ \mathrm{m} ; quelle est sa vergence ?

25 dioptries25\ \mathrm{dioptries}
5 dioptries5\ \mathrm{dioptries}
−5 dioptries-5\ \mathrm{dioptries}
0,20 dioptrie0{,}20\ \mathrm{dioptrie}

$$5\ \mathrm{dioptries}$$

Explication

La vergence d’une lentille mince vérifie V=1OF′V=\frac{1}{OF'}, donc V=10,20=5 dioptriesV=\frac{1}{0{,}20}=5\ \mathrm{dioptries}. La valeur 25 dioptries25\ \mathrm{dioptries} correspondrait à l’inverse du carré de la distance, ce qui n’intervient pas dans cette formule.

21. Quel mécanisme permet à l’œil de former une image nette sur la rétine lors de la vision rapprochée ?

La variation de la transparence de la cornée
La modification de la courbure du cristallin
La dilatation permanente de la pupille
Le déplacement de la rétine vers le cristallin

La modification de la courbure du cristallin

Explication

L’accommodation repose sur la modification de la courbure du cristallin, ce qui change la puissance optique de l’œil et permet la mise au point sur la rétine. La vision rapprochée ne résulte pas d’un déplacement de la rétine, mais d’un ajustement du système optique.

22. Chez un œil emmétrope, où se situe le punctum remotum ?

Derrière la rétine, lorsque le cristallin est aplati
À quelques centimètres, avec une accommodation maximale
Sur la cornée, lorsque la pupille est contractée
À l’infini, lorsque l’œil n’accommode pas

À l’infini, lorsque l’œil n’accommode pas

Explication

Le punctum remotum est le point le plus éloigné vu nettement sans accommodation et, chez l’œil emmétrope, il se trouve à l’infini. Une distance très rapprochée correspond plutôt au punctum proximum et à une accommodation importante.

23. Quelle comparaison décrit correctement la formation de l’image au repos chez un œil myope et chez un œil hypermétrope ?

Les deux défauts forment l’image en avant de la rétine au repos
Les deux défauts forment l’image en arrière de la rétine au repos
La myopie forme l’image en avant de la rétine et l’hypermétropie en arrière
La myopie forme l’image en arrière de la rétine et l’hypermétropie en avant

La myopie forme l’image en avant de la rétine et l’hypermétropie en arrière

Explication

Au repos, un œil myope focalise l’image d’un objet lointain en avant de la rétine, tandis qu’un œil hypermétrope la focalise en arrière. Les deux défauts se distinguent donc par la position opposée de leur plan de formation de l’image.

24. Quelle correction optique convient respectivement à la myopie et à l’hypermétropie ?

Une lentille divergente pour la myopie et convergente pour l’hypermétropie
Deux lentilles divergentes de puissances différentes
Deux lentilles convergentes de puissances différentes
Une lentille convergente pour la myopie et divergente pour l’hypermétropie

Une lentille divergente pour la myopie et convergente pour l’hypermétropie

Explication

La myopie se corrige par une lentille divergente, alors que l’hypermétropie se corrige par une lentille convergente. Ces corrections déplacent respectivement le foyer situé en avant ou en arrière afin de le ramener sur la rétine.

25. Qu’est-ce qu’un laser ?

Un système optique fondé sur la réflexion aléatoire des photons
Un amplificateur de lumière par émission stimulée de rayonnement
Un dispositif qui transforme toute lumière en chaleur diffuse
Un générateur de lumière par absorption spontanée de rayonnement

Un amplificateur de lumière par émission stimulée de rayonnement

Explication

Un laser amplifie la lumière grâce à l’émission stimulée de rayonnement. L’émission spontanée peut produire de la lumière, mais elle ne suffit pas à générer le faisceau laser organisé et amplifié.

26. Quelle succession décrit le fonctionnement général d’un laser ?

Extraction, pompage, émission spontanée, inversion de population, dispersion
Inversion de population, extraction, pompage, absorption, amplification externe
Pompage, inversion de population, émission stimulée, amplification en cavité, extraction
Pompage, absorption, dispersion, émission spontanée, extraction du faisceau

Pompage, inversion de population, émission stimulée, amplification en cavité, extraction

Explication

Le laser commence par un pompage énergétique, suivi de l’inversion de population, de l’émission stimulée, de l’amplification dans la cavité puis de l’extraction du faisceau. L’inversion de population ne remplace pas le pompage : elle constitue l’état nécessaire à l’amplification par émission stimulée.

27. Que devient un photon lors d’une émission stimulée par un photon incident ?

Il change de fréquence tout en conservant une direction de propagation opposée
Il est identique au photon incident par son énergie, sa fréquence et sa direction
Il possède une énergie différente et se propage dans une direction aléatoire
Il est absorbé par le milieu et ne produit aucun photon secondaire

Il est identique au photon incident par son énergie, sa fréquence et sa direction

Explication

L’émission stimulée produit un photon présentant la même énergie, la même fréquence et la même direction de propagation que le photon incident. Une émission dans une direction aléatoire correspondrait plutôt à un processus non organisé par stimulation.

28. Quelles propriétés caractérisent la lumière émise par un laser ?

Elle est directionnelle, cohérente, monochromatique et très dense en puissance
Elle est diffuse, cohérente, monochromatique et dépourvue de densité énergétique
Elle est directionnelle, incohérente, polychromatique et de puissance uniforme
Elle est diffuse, incohérente, polychromatique et de faible densité de puissance

Elle est directionnelle, cohérente, monochromatique et très dense en puissance

Explication

La lumière laser se distingue par sa directionnalité, sa cohérence, son caractère monochromatique et sa forte densité de puissance. Une lumière diffuse et polychromatique ne possède pas l’ensemble de ces propriétés caractéristiques.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 51 flashcards sur Optique ondulatoire, géométrique et laser.

Quels sont les trois modèles de la lumière ?

Les modèles géométrique, ondulatoire et corpusculaire.

Comment les modèles de la lumière sont-ils liés ?

Ils sont complémentaires.

Quelles longueurs d'onde correspondent à la lumière visible ?

Entre 400 nm et 780 nm.

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Approfondir avec la fiche

Consultez la fiche de révision complète sur Optique ondulatoire, géométrique et laser.

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