QCM : Unités, rayonnement et matière (21 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Quel ensemble énumère correctement les sept unités de base du Système international ?

Le mètre, le gramme, la minute, le volt, la candela, la mole et le degré Celsius
Le centimètre, le kilogramme, l’heure, l’ampère, le lumen, la mole et le kelvin
Le mètre, le kilogramme, la seconde, l’ampère, la candela, la mole et le kelvin
Le mètre, le kilogramme, la seconde, le coulomb, la candela, le newton et le kelvin

Le mètre, le kilogramme, la seconde, l’ampère, la candela, la mole et le kelvin

Explication

Le Système international repose sur sept unités de base : mètre, kilogramme, seconde, ampère, candela, mole et kelvin. Le gramme, le volt, le coulomb et le newton sont soit des multiples, soit des unités dérivées, et ne constituent pas cet ensemble de base.

2. Quelle énergie acquiert un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 V ?

Une énergie de 1,6×10−19 C1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{C}
Une énergie de 1,6×10−19 J1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{J}
Une énergie de 9,8 J9{,}8\,\mathrm{J}
Une énergie de 6,6×10−34 J6{,}6\times10^{-34}\,\mathrm{J}

Une énergie de $$1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{J}$$

Explication

Par définition, un électron accéléré sous 1 V acquiert une énergie de 1 eV, soit 1,6×10−19 J1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{J}. La valeur 6,6×10−34 J6{,}6\times10^{-34}\,\mathrm{J} correspond à une constante liée aux photons, tandis que le coulomb mesure une charge.

3. Quelle est la dimension de la pression ?

L T−1L\,T^{-1}
M L T−2M\,L\,T^{-2}
M L−1 T−2M\,L^{-1}\,T^{-2}
M L2 T−2M\,L^2\,T^{-2}

$$M\,L^{-1}\,T^{-2}$$

Explication

La pression possède la dimension M L−1 T−2M\,L^{-1}\,T^{-2}. La dimension M L2 T−2M\,L^2\,T^{-2} caractérise l’énergie, tandis que M L T−2M\,L\,T^{-2} caractérise la force.

4. Quel est le rôle principal d’une équation aux dimensions ?

Comparer les instruments de mesure et choisir celui qui fournit la meilleure précision
Remplacer les unités dérivées par des unités fondamentales dans chaque expérience
Vérifier l’homogénéité d’une formule et convertir des grandeurs entre unités
Déterminer la valeur numérique d’une constante et mesurer une grandeur inconnue

Vérifier l’homogénéité d’une formule et convertir des grandeurs entre unités

Explication

Une équation aux dimensions sert d’abord à contrôler qu’une formule est homogène, puis à effectuer des conversions entre systèmes d’unités. Elle ne fournit pas à elle seule la valeur numérique d’une constante ni la précision d’un instrument.

5. Quelle conversion de l’énergie est correcte entre le joule et l’erg ?

1 J=10−7 erg1\,\mathrm{J}=10^{-7}\,\mathrm{erg}
1 J=1014 erg1\,\mathrm{J}=10^{14}\,\mathrm{erg}
1 J=103 erg1\,\mathrm{J}=10^3\,\mathrm{erg}
1 J=107 erg1\,\mathrm{J}=10^7\,\mathrm{erg}

$$1\,\mathrm{J}=10^7\,\mathrm{erg}$$

Explication

La conversion correcte est 1 J=107 erg1\,\mathrm{J}=10^7\,\mathrm{erg}. Le facteur inverse, 10−710^{-7}, correspondrait à exprimer un erg en joules plutôt qu’un joule en ergs.

6. Une onde a une période de 2 ms2\,\mathrm{ms}. Quelle est sa fréquence ?

200 Hz200\,\mathrm{Hz}
5000 Hz5000\,\mathrm{Hz}
500 Hz500\,\mathrm{Hz}
2 Hz2\,\mathrm{Hz}

$$500\,\mathrm{Hz}$$

Explication

La fréquence est l’inverse de la période : ν=1/T=1/(2×10−3)=500 Hz\nu=1/T=1/(2\times10^{-3})=500\,\mathrm{Hz}. La période s’exprime en secondes, tandis que la fréquence s’exprime en hertz.

7. Comment définir un photon ?

Une particule matérielle constituant le milieu de propagation de la lumière
Un quantum d’énergie du rayonnement électromagnétique
Une longueur caractéristique de la propagation lumineuse
Une unité de mesure de la fréquence d’une onde électromagnétique

Un quantum d’énergie du rayonnement électromagnétique

Explication

Un photon est un quantum, ou grain, d’énergie du rayonnement électromagnétique. La longueur d’onde décrit une propriété ondulatoire de la propagation et ne désigne pas une particule.

8. Quelle relation permet de calculer l’énergie d’un photon à partir de sa fréquence ?

E=hνE=h\nu
E=mc2E=mc^2
E=νhE=\frac{\nu}{h}
E=hνE=\frac{h}{\nu}

$$E=h\nu$$

Explication

L’énergie d’un photon est proportionnelle à sa fréquence selon E=hνE=h\nu. Les expressions impliquant une masse et la vitesse de la lumière concernent une autre relation énergétique, tandis que les deux autres formules inversent incorrectement le rôle de la constante de Planck.

9. Quel intervalle décrit approximativement le domaine visible ?

Une énergie de 3 à 30 keV et une longueur d’onde de 10 à 100 pm
Une énergie de 10 à 100 eV et une longueur d’onde de 1 à 10 nm
Une énergie de 0,01 à 0,1 eV et une longueur d’onde de 1 à 10 mm
Une énergie de 1,5 à 3 eV et une longueur d’onde de 400 à 800 nm

Une énergie de 1,5 à 3 eV et une longueur d’onde de 400 à 800 nm

Explication

Le visible correspond approximativement à des énergies comprises entre 1,5 et 3 eV et à des longueurs d’onde allant de 400 à 800 nm. Les autres intervalles décrivent des domaines de rayonnement plus énergétiques ou de plus grande longueur d’onde.

10. Quelle grandeur correspond à l’énergie traversant une surface par unité de temps et s’exprime en watts ?

L’angle solide
Le flux énergétique
L’éclairement énergétique
L’intensité énergétique

Le flux énergétique

Explication

Le flux énergétique mesure une énergie par unité de temps et constitue donc une puissance rayonnée. L’éclairement énergétique concerne plutôt le flux reçu par unité de surface.

11. Un récepteur reçoit un flux énergétique réparti sur une surface donnée : quelle grandeur décrit le flux reçu par unité de surface ?

La puissance mécanique
L’éclairement énergétique
Le flux énergétique
L’intensité énergétique

L’éclairement énergétique

Explication

L’éclairement énergétique est défini par le rapport entre le flux reçu et la surface réceptrice, soit ε=dΦdS\varepsilon=\frac{d\Phi}{dS}. L’intensité énergétique décrit, elle, un flux émis dans une direction par unité d’angle solide.

12. Comment définit-on l’intensité énergétique d’une source ponctuelle dans une direction donnée ?

Comme l’énergie totale émise par unité de temps
Comme le flux émis par unité d’angle solide
Comme le flux reçu par unité de surface
Comme la distance parcourue par le rayonnement

Comme le flux émis par unité d’angle solide

Explication

L’intensité énergétique est le flux émis dans une direction donnée par unité d’angle solide, selon I=dΦdΩI=\frac{d\Phi}{d\Omega}. Le rapport à une surface correspond à l’éclairement énergétique.

13. Une source ponctuelle produit un éclairement énergétique ε1\varepsilon_1 à la distance d1d_1. Quelle expression donne l’éclairement ε2\varepsilon_2 à la distance d2d_2 ?

ε2=(d2d1)2ε1\varepsilon_2=\left(\frac{d_2}{d_1}\right)^2\varepsilon_1
ε2=(d1+d2)ε1\varepsilon_2=(d_1+d_2)\varepsilon_1
ε2=(d1d2)2ε1\varepsilon_2=\left(\frac{d_1}{d_2}\right)^2\varepsilon_1
ε2=d2d1ε1\varepsilon_2=\frac{d_2}{d_1}\varepsilon_1

$$\varepsilon_2=\left(\frac{d_1}{d_2}\right)^2\varepsilon_1$$

Explication

Pour une source ponctuelle, l’éclairement varie comme l’inverse du carré de la distance, d’où ε2=(d1d2)2ε1\varepsilon_2=\left(\frac{d_1}{d_2}\right)^2\varepsilon_1. Une distance plus grande entraîne donc une diminution quadratique de l’éclairement.

14. Quelle affirmation décrit correctement le rôle du noyau dans la masse de l’atome ?

Il contient les électrons et concentre une faible part de la masse
Il ne contient que des charges négatives très légères
Il répartit sa masse de façon uniforme dans tout l’atome
Il contient les nucléons et concentre l’essentiel de la masse

Il contient les nucléons et concentre l’essentiel de la masse

Explication

Le noyau contient les protons et les neutrons, appelés nucléons, qui fournissent l’essentiel de la masse atomique. Les électrons se trouvent autour du noyau et leur masse est bien plus faible.

15. Quelle différence électrique distingue le proton du neutron ?

Le proton est neutre et le neutron est négatif
Le proton et le neutron portent deux charges négatives
Le proton est positif et le neutron est neutre
Le proton est négatif et le neutron est positif

Le proton est positif et le neutron est neutre

Explication

Le proton possède une charge de +1,6×10−19 C+1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{C}, alors que le neutron est électriquement neutre. Leurs masses sont toutefois approximativement égales, autour de 1,67×10−27 kg1{,}67\times10^{-27}\,\mathrm{kg}.

16. Un noyau contient Z=8Z=8 protons et N=9N=9 neutrons. Quel est son nombre de masse AA ?

A=17A=17
A=72A=72
A=1A=1
A=8A=8

$$A=17$$

Explication

Le nombre de masse est la somme des protons et des neutrons : A=Z+N=8+9=17A=Z+N=8+9=17. La valeur Z=8Z=8 désigne seulement le nombre de protons.

17. Deux noyaux possèdent le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents : comment les appelle-t-on ?

Des isotones
Des isobares
Des isotopes
Des nucléons libres

Des isotopes

Explication

Des isotopes ont le même nombre atomique ZZ, mais des nombres de neutrons NN et de masse AA différents. Des isotones partagent plutôt le même NN, tandis que des isobares partagent le même AA.

18. Quelle expression décrit la quantité de mouvement relativiste d’un électron lorsque sa masse utilisée est sa masse au repos mm ?

p=γm/vp=\gamma m/v avec un facteur dépendant de la charge
p=mv2p=mv^2 avec une masse indépendante de la vitesse
p=mvp=\frac{m}{v} avec un facteur relativiste inversé
p=γmvp=\gamma mv avec γ=11−v2/c2\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}

$$p=\gamma mv$$ avec $$\gamma=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$$

Explication

En relativité, la quantité de mouvement s’écrit p=γmvp=\gamma mv, où γ\gamma augmente lorsque la vitesse approche celle de la lumière. L’expression classique p=mvp=mv utilise une approximation qui ne tient pas compte de ce facteur.

19. Quelle relation exprime l’énergie cinétique relativiste à partir de la masse en mouvement mm et de la masse au repos m0m_0 ?

Ec=m+m0m2v2E_c=\frac{m+m_0}{m^2v^2}
Ec=(m+m0)c2E_c=(m+m_0)c^2
Ec=m0c2−mc2E_c=m_0c^2-mc^2
Ec=m2v2m+m0E_c=\frac{m^2v^2}{m+m_0}

$$E_c=\frac{m^2v^2}{m+m_0}$$

Explication

L’énergie cinétique relativiste vérifie Ec=m2v2m+m0E_c=\frac{m^2v^2}{m+m_0}. L’expression m0c2m_0c^2 correspond à l’énergie de masse au repos et non à l’énergie cinétique.

20. Que représente la valeur 511 keV511\,\mathrm{keV} pour un électron au repos ?

Son énergie équivalente de masse au repos
La quantité de mouvement associée à sa charge
Son énergie cinétique après accélération
L’énergie nécessaire pour ioniser son noyau

Son énergie équivalente de masse au repos

Explication

Pour l’électron, l’énergie équivalente de la masse au repos est m0c2=511 keVm_0c^2=511\,\mathrm{keV}. Cette valeur ne désigne pas l’énergie cinétique, qui dépend de son mouvement.

21. Comment varie la longueur d’onde associée à une particule lorsque sa quantité de mouvement augmente ?

Elle augmente selon λ=hp\lambda=hp
Elle devient égale à la vitesse multipliée par la masse
Elle diminue selon λ=hp\lambda=\frac{h}{p}
Elle reste constante quelle que soit la quantité de mouvement

Elle diminue selon $$\lambda=\frac{h}{p}$$

Explication

La relation de de Broglie est λ=hp\lambda=\frac{h}{p} : une quantité de mouvement plus grande correspond donc à une longueur d’onde plus petite. La relation proportionnelle λ=hp\lambda=hp inverse cette dépendance.

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Quelles sont les sept unités de base du Système International ?

Mètre, kilogramme, seconde, ampère, candela, mole, kelvin.

Quelle unité du Système International mesure la longueur ?

Le mètre.

Quelle est la formule de l'énergie en électronvolts ?

E=eUE = eU.

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