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Les ondes

Physique-Chimie · 2ème Bac Sciences de la Vie et de la Terre · 14 exercices

Méthode officielle

Exploiter la relation lambda = v.T, distinguer ondes mécaniques et lumineuses, appliquer la diffraction (theta = lambda/a) et la réfraction (loi de Snell-Descartes n1.sin(i1) = n2.sin(i2)), lire une double-période sur un oscillogramme.

L'intuition

Imagine-toi au bord de la mer, à Mohammedia ou à Agadir. Tu observes les vagues. Quand une vague arrive sur la plage, elle se déplace. C'est ça, une onde. Elle transporte de l'énergie, mais pas de matière. L'eau ne se déplace pas avec la vague, elle oscille sur place.

Maintenant, pense à un son. Quand tu parles, l'air autour de toi vibre. Cette vibration se propage jusqu'à l'oreille de ton ami. C'est aussi une onde. Elle a besoin de l'air pour se propager. Si tu parlais dans le vide, personne ne t'entendrait.

Enfin, la lumière. Quand le soleil brille, sa lumière nous atteint. Elle traverse le vide de l'espace. Elle n'a pas besoin de matière pour voyager. C'est une autre sorte d'onde.

Ce chapitre, c'est comprendre comment ces "perturbations" se déplacent, ce qui les différencie, et comment elles interagissent avec ce qu'elles rencontrent.

Le cours

I. Généralités sur les ondes

Une onde est la propagation d'une perturbation sans transport de matière, mais avec transport d'énergie.

1. Ondes mécaniques

Une onde mécanique est une onde qui nécessite un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager. Elle ne se propage pas dans le vide.

  • Exemples : Ondes à la surface de l'eau, ondes sonores (le son), ondes le long d'une corde, ondes sismiques.
  • Types :
    • Ondes transversales : La direction de la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde (ex: onde sur une corde, onde à la surface de l'eau).
    • Ondes longitudinales : La direction de la perturbation est parallèle à la direction de propagation de l'onde (ex: onde sonore).

2. Ondes lumineuses (électromagnétiques)

Une onde lumineuse est une onde qui peut se propager dans le vide. Elle ne nécessite pas de milieu matériel.

  • Exemples : Lumière visible, ondes radio, micro-ondes, rayons X, rayons gamma.
  • Nature : Ce sont des ondes transversales, constituées d'un champ électrique et d'un champ magnétique oscillant perpendiculairement entre eux et à la direction de propagation.

3. Célérité (vitesse de propagation) vv

La célérité d'une onde est la vitesse à laquelle la perturbation se propage dans un milieu donné. Elle dépend des propriétés du milieu.

  • Formule générale : v=dΔtv = \frac{d}{\Delta t}dd est la distance parcourue et Δt\Delta t est le temps mis pour parcourir cette distance.
  • Unités : vv en mètres par seconde (m/s), dd en mètres (m), Δt\Delta t en secondes (s).

4. Onde progressive périodique

Une onde est dite progressive périodique si la perturbation se reproduit identique à elle-même à intervalles de temps réguliers appelés période TT.

  • Période TT : Durée d'un cycle complet de l'onde. Elle s'exprime en secondes (s).
  • Fréquence NN (ou ff) : Nombre de cycles par unité de temps. C'est l'inverse de la période : N=1TN = \frac{1}{T}. Elle s'exprime en Hertz (Hz).
  • Longueur d'onde λ\lambda : Distance parcourue par l'onde pendant une période TT. C'est aussi la distance entre deux points consécutifs du milieu vibrant en phase. Elle s'exprime en mètres (m).
  • Relation fondamentale : λ=vT=vN\lambda = v \cdot T = \frac{v}{N}.

5. Milieu dispersif

Un milieu est dit dispersif si la célérité de l'onde (et donc la longueur d'onde) dépend de sa fréquence (ou de sa longueur d'onde).

  • Exemple : L'eau est un milieu dispersif pour les ondes à sa surface. Le verre est un milieu dispersif pour la lumière (la lumière blanche se décompose en couleurs à travers un prisme).
  • Conséquence : Dans un milieu dispersif, une onde complexe (composée de plusieurs fréquences) se déforme au cours de sa propagation.

II. Phénomènes ondulatoires

1. Diffraction

La diffraction est le phénomène par lequel une onde contourne un obstacle ou une ouverture de petite dimension (comparable à la longueur d'onde). Après avoir traversé l'ouverture, l'onde se propage dans des directions différentes de la direction initiale.

  • Conditions : Le phénomène de diffraction est d'autant plus marqué que la dimension de l'ouverture aa est proche de la longueur d'onde λ\lambda. Si aλa \gg \lambda, la diffraction est négligeable.
  • Pour une fente : L'écart angulaire θ\theta (angle entre le centre de la tache centrale et la première extinction) est donné par la relation : θ=λa\theta = \frac{\lambda}{a}.
    • θ\theta en radians (rad).
    • λ\lambda en mètres (m).
    • aa en mètres (m).
  • Observation : Sur un écran placé à une distance DD de la fente, on observe une figure de diffraction composée d'une tache centrale brillante et de taches secondaires moins lumineuses. La largeur de la tache centrale est L=2Dtan(θ)2DθL = 2D \tan(\theta) \approx 2D\theta (pour les petits angles).

2. Réfraction

La réfraction est le changement de direction de propagation d'une onde lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre.

  • Loi de Snell-Descartes : n1sin(i1)=n2sin(i2)n_1 \cdot \sin(i_1) = n_2 \cdot \sin(i_2).
    • n1n_1 et n2n_2 sont les indices de réfraction des milieux 1 et 2.
    • i1i_1 est l'angle d'incidence (angle entre le rayon incident et la normale à la surface).
    • i2i_2 est l'angle de réfraction (angle entre le rayon réfracté et la normale à la surface).
  • Indice de réfraction nn : n=cvn = \frac{c}{v}, où cc est la célérité de la lumière dans le vide (c3108c \approx 3 \cdot 10^8 m/s) et vv est la célérité de la lumière dans le milieu. L'indice de réfraction est sans unité et n1n \ge 1.
  • Conséquence : La fréquence de l'onde ne change pas lors de la réfraction, mais sa célérité et sa longueur d'onde changent.

III. Exploitation d'oscillogrammes

Un oscillogramme est la représentation graphique de l'évolution temporelle d'une grandeur physique (par exemple, l'élongation d'un point d'une corde ou la tension électrique d'un signal sonore).

  • Détermination de la période TT : Sur un oscillogramme, la période TT correspond à la durée d'un motif élémentaire qui se répète. On peut mesurer la durée de plusieurs périodes (par exemple, 2T2T ou 5T5T) pour plus de précision, puis diviser par le nombre de périodes.
    • Si l'oscillogramme représente y=f(t)y = f(t), la période est directement lisible sur l'axe des temps.
    • Si l'oscillogramme représente y1=f(t)y_1 = f(t) et y2=f(t)y_2 = f(t), et que les deux signaux sont en phase, la distance entre les points d'émission et de réception permet de calculer la célérité.

Exemple résolu

Reprenons un extrait d'annale :

Exercice 1 : Ondes (3 points) Partie 1 : Propagation d'une onde mécanique On étudie la propagation d'une onde mécanique le long d'une corde. La Figure 1 représente l'aspect de la corde à un instant t1t_1. La Figure 2 représente l'évolution temporelle de l'élongation d'un point MM de la corde.

  1. Déterminer la période TT de l'onde à partir de la Figure 2 et la longueur d'onde λ\lambda à partir de la Figure 1.
  2. En déduire la célérité VV de l'onde.
  3. Déterminer la valeur de l'élongation du point MM à l'instant t1t_1.

figure

Correction détaillée :

  1. Détermination de TT et λ\lambda :

    • Période TT (Figure 2) : La Figure 2 montre l'élongation d'un point MM en fonction du temps. C'est une courbe périodique. On observe que le motif se répète tous les 4 ms. Donc, T=4 ms=4103 sT = 4 \text{ ms} = 4 \cdot 10^{-3} \text{ s}.
    • Longueur d'onde λ\lambda (Figure 1) : La Figure 1 montre l'aspect de la corde à un instant donné. C'est une représentation spatiale de l'onde. La longueur d'onde λ\lambda est la distance entre deux points consécutifs en phase (par exemple, deux crêtes ou deux creux). Sur la Figure 1, on peut mesurer la distance entre deux crêtes ou deux creux. Par exemple, la première crête est à x=0x=0 cm, la suivante à x=12x=12 cm. Donc, λ=12 cm=0,12 m\lambda = 12 \text{ cm} = 0,12 \text{ m}.
  2. Déduction de la célérité VV : On utilise la relation fondamentale λ=VT\lambda = V \cdot T. V=λTV = \frac{\lambda}{T} V=0,12 m4103 sV = \frac{0,12 \text{ m}}{4 \cdot 10^{-3} \text{ s}} V=30 m/sV = 30 \text{ m/s}.

  3. Détermination de l'élongation du point MM à l'instant t1t_1 : La Figure 1 représente l'aspect de la corde à l'instant t1t_1. Le point MM est situé à xM=9x_M = 9 cm. Sur la Figure 1, pour x=9x = 9 cm, l'élongation yMy_M est de 1-1 cm. Donc, l'élongation du point MM à l'instant t1t_1 est yM(t1)=1 cmy_M(t_1) = -1 \text{ cm}.

La méthode

Voici les étapes clés pour aborder les exercices sur les ondes, telles qu'attendues par les correcteurs :

  1. Identifier la nature de l'onde :

    • Est-ce une onde mécanique (son, eau, corde) ou une onde lumineuse (lumière, radio) ? Cela détermine si elle a besoin d'un milieu ou non.
    • Est-elle transversale ou longitudinale ?
  2. Extraire les informations graphiques :

    • Sur un oscillogramme (élongation en fonction du temps) :
      • Mesurer la période TT en identifiant un motif répétitif. Utilise l'échelle horizontale (sensibilité temporelle). Pour plus de précision, mesure la durée de plusieurs périodes (par exemple, 5T5T) et divise par le nombre de périodes.
      • Calculer la fréquence N=1TN = \frac{1}{T}.
    • Sur un aspect de la corde (élongation en fonction de la position) :
      • Mesurer la longueur d'onde λ\lambda en identifiant la distance entre deux points en phase. Utilise l'échelle horizontale.
  3. Appliquer la relation fondamentale :

    • Utilise λ=vT\lambda = v \cdot T ou v=λNv = \lambda \cdot N pour calculer une des grandeurs si les deux autres sont connues.
    • Geste type : Écris la formule, remplace par les valeurs numériques avec les bonnes unités, puis calcule le résultat avec l'unité correcte.
  4. Analyser les phénomènes de diffraction :

    • Condition : Vérifie si la dimension de l'ouverture aa est comparable à la longueur d'onde λ\lambda.
    • Calcul de l'écart angulaire : Applique θ=λa\theta = \frac{\lambda}{a}. N'oublie pas que θ\theta doit être en radians et que λ\lambda et aa doivent être dans la même unité (généralement des mètres).
    • Calcul de la largeur de la tache centrale : Utilise L=2DθL = 2D\theta si l'angle est petit.
  5. Analyser les phénomènes de réfraction :

    • Loi de Snell-Descartes : Applique n1sin(i1)=n2sin(i2)n_1 \cdot \sin(i_1) = n_2 \cdot \sin(i_2).
    • Calcul de l'indice de réfraction : Utilise n=cvn = \frac{c}{v}.
    • Geste type : Dessine le schéma avec les normales, les angles et les milieux.
  6. Respecter les unités et les chiffres significatifs :

    • Toutes les grandeurs physiques doivent être exprimées avec leur unité du Système International (SI).
    • Le nombre de chiffres significatifs dans le résultat final doit être cohérent avec celui des données de l'énoncé.

Pièges classiques

Fais attention à ces erreurs fréquentes qui peuvent te coûter des points :

  • Confusion entre période TT et longueur d'onde λ\lambda :

    • TT est une durée (en secondes), lue sur un graphique y=f(t)y=f(t).
    • λ\lambda est une distance (en mètres), lue sur un graphique y=f(x)y=f(x) (aspect de la corde).
    • Contre-exemple : Si tu lis 4 cm sur la Figure 2 et que tu dis que c'est TT, c'est faux. C'est une durée, pas une distance.
  • Oubli des conversions d'unités :

    • Les millisecondes (ms) en secondes (s) : 1 ms=103 s1 \text{ ms} = 10^{-3} \text{ s}.
    • Les centimètres (cm) en mètres (m) : 1 cm=102 m1 \text{ cm} = 10^{-2} \text{ m}.
    • Les nanomètres (nm) en mètres (m) : 1 nm=109 m1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}.
    • Contre-exemple : Si tu utilises λ=12 cm\lambda = 12 \text{ cm} et T=4 msT = 4 \text{ ms} directement dans V=λTV = \frac{\lambda}{T}, tu obtiendras V=3 cm/msV = 3 \text{ cm/ms}, ce qui n'est pas l'unité SI. Il faut convertir : V=0,12 m4103 s=30 m/sV = \frac{0,12 \text{ m}}{4 \cdot 10^{-3} \text{ s}} = 30 \text{ m/s}.
  • Angles en degrés au lieu de radians pour la diffraction :

    • Dans la formule θ=λa\theta = \frac{\lambda}{a}, l'angle θ\theta doit impérativement être en radians. Si tu utilises ta calculatrice en mode degrés, le résultat sera faux.
    • Contre-exemple : Si tu calcules θ\theta en degrés, puis que tu utilises L=2DθL = 2D\theta, le résultat sera incorrect. Assure-toi que ta calculatrice est en mode "RAD" pour les calculs trigonométriques impliquant des angles petits.
  • Milieu dispersif vs non dispersif :

    • Un milieu est dispersif si la célérité (et donc l'indice de réfraction) dépend de la fréquence (ou de la couleur pour la lumière).
    • L'air est souvent considéré comme non dispersif pour la lumière dans les exercices, sauf indication contraire.
    • Contre-exemple : Affirmer que la célérité de la lumière est la même dans le verre pour toutes les couleurs est faux, car le verre est un milieu dispersif.
  • Confondre émetteur et récepteur sur un oscillogramme :

    • Le signal émis est toujours le premier à apparaître sur l'oscillogramme. Le signal reçu est décalé dans le temps (retard τ\tau).
    • Contre-exemple : Si tu mesures le retard à partir du signal reçu, tu inverseras le sens de propagation ou tu feras une erreur dans le calcul de la distance.

Ce qui tombe à l'examen

Le chapitre des ondes représente environ 11% de la note finale en physique. Les questions sont généralement directes et visent à vérifier ta compréhension des définitions et l'application des formules clés.

Voici les formats de questions réels que tu rencontreras, basés sur les annales :

  • Questions de définition (0.5 à 1 point) :

    • "Définir une onde mécanique progressive."
    • "Qu'est-ce qu'un milieu dispersif ?"
    • "Quelle est la nature des ondes ultrasonores ?" (Réponse attendue : ondes mécaniques car elles nécessitent un milieu matériel pour se propager).
  • Exploitation de graphiques (1 à 2 points) :

    • "Déterminer la période TT de l'onde à partir de la Figure X." (Souvent un oscillogramme).
    • "Déterminer la longueur d'onde λ\lambda à partir de la Figure Y." (Souvent un aspect de la corde ou de la surface de l'eau).
    • "Déterminer le retard temporel Δt\Delta t entre deux signaux émis et reçus." (Sur un oscillogramme à double trace).
  • Calculs directs (1 à 2 points) :

    • "En déduire la célérité VV de l'onde." (Utilisation de V=λTV = \frac{\lambda}{T} ou V=dΔtV = \frac{d}{\Delta t}).
    • "Calculer la fréquence NN de l'onde." (Utilisation de N=1TN = \frac{1}{T}).
    • "Calculer la longueur d'onde λ\lambda de la lumière dans un milieu d'indice nn." (Utilisation de λ=λ0n\lambda = \frac{\lambda_0}{n}).
  • Application des phénomènes ondulatoires (1 à 2 points) :

    • Diffraction : "Calculer l'écart angulaire θ\theta de la tache centrale de diffraction." (Utilisation de θ=λa\theta = \frac{\lambda}{a}).
    • Réfraction : "Calculer l'angle de réfraction i2i_2 en appliquant la loi de Snell-Descartes." (Utilisation de n1sin(i1)=n2sin(i2)n_1 \cdot \sin(i_1) = n_2 \cdot \sin(i_2)).
    • "Indiquer si un milieu est dispersif ou non en justifiant." (La justification est cruciale : la célérité dépend de la fréquence).
  • Analyse de données expérimentales (1 à 2 points) :

    • "Pour déterminer la célérité d'une onde ultrasonore de fréquence NN dans deux milieux différents, on utilise un dispositif constitué d'un émetteur EE et d'un récepteur RR fixés aux extrémités d'un tube. EE et RR sont reliés à un oscilloscope. Donner la relation permettant de calculer la célérité." (Attendue : V=dΔtV = \frac{d}{\Delta t}).

Attendus de correction :

  • Formule littérale : Toujours commencer par écrire la formule générale.
  • Application numérique : Remplacer les symboles par les valeurs numériques avec les bonnes unités.
  • Résultat final : Donner le résultat avec l'unité correcte et un nombre de chiffres significatifs approprié.
  • Schémas : Parfois demandés pour la réfraction ou la diffraction, ils doivent être clairs et annotés.
  • Justification : Pour les questions de type "vrai/faux" ou "justifier", une explication claire et basée sur le cours est indispensable.

Ce chapitre est relativement simple si tu maîtrises les définitions et les formules de base. Entraîne-toi à lire les graphiques et à faire les conversions d'unités, c'est là que se trouvent les pièges les plus courants.

Exercices corrigés

Exercice 1·Facile

PHYSIQUE

Exercice 1 : Ondes (3 points)

Partie 1 : Propagation d'une onde mécanique

On étudie la propagation d'une onde mécanique le long d'une corde. La Figure 1 représente l'aspect de la corde à un instant t1t_1. La Figure 2 représente l'évolution temporelle de l'élongation d'un point MM de la corde.

  1. Déterminer la période TT de l'onde à partir de la Figure 2 et la longueur d'onde λ\lambda à partir de la Figure 1.
  2. En déduire la célérité VV de l'onde.
  3. Déterminer la valeur de l'instant t1t_1 à partir de la Figure 2 et la valeur de la distance dd parcourue par l'onde à cet instant à partir de la Figure 1.

Partie 2 : Propagation d'une onde lumineuse

On réalise une expérience de diffraction de la lumière en utilisant un laser de longueur d'onde λ\lambda et une fente de largeur aa. On observe une figure de diffraction sur un écran situé à une distance DD de la fente. La largeur de la tache centrale est LL.

  1. Quel est le nom du phénomène mis en évidence par cette expérience ? Que prouve cette expérience concernant la lumière ?
  2. Parmi les propositions suivantes, quelle est celle qui est vraie ? a) L=2λDaL = \frac{2\lambda D}{a} b) L=λDaL = \frac{\lambda D}{a} c) L=a2λDL = \frac{a}{2\lambda D} d) L=aλDL = \frac{a}{\lambda D}
  3. On utilise un laser de longueur d'onde λ=633 nm\lambda = 633 \text{ nm} et une fente de largeur a1a_1. On mesure la largeur de la tache centrale L1=3,8 cmL_1 = 3,8 \text{ cm} sur un écran situé à D=1,2 mD = 1,2 \text{ m}. Déterminer la valeur de a1a_1.

Figure 1

Figure 2

Voir la correction

Partie 1 :

  1. D'après la Figure 2, T=10 ms=102 sT = 10 \text{ ms} = 10^{-2} \text{ s}. D'après la Figure 1, λ=0.1 m\lambda = 0.1 \text{ m}.
  2. V=λT=0.1102=10 m.s1V = \frac{\lambda}{T} = \frac{0.1}{10^{-2}} = 10 \text{ m.s}^{-1}.
  3. D'après la Figure 2, t1=1.5 ms=1.5×103 st_1 = 1.5 \text{ ms} = 1.5 \times 10^{-3} \text{ s}. D'après la Figure 1, d=15 cm=0.15 md = 15 \text{ cm} = 0.15 \text{ m}.

Partie 2 :

  1. Le phénomène mis en évidence est la diffraction d'une onde lumineuse. Cette expérience prouve le caractère ondulatoire de la lumière.
  2. La proposition vraie est a) L=2λDaL = \frac{2\lambda D}{a}.
  3. On a L1=2λDa1L_1 = \frac{2\lambda D}{a_1}, donc a1=2λDL1=2×633×109 m×1.2 m3.8×102 m4.0×105 m=40 \muma_1 = \frac{2\lambda D}{L_1} = \frac{2 \times 633 \times 10^{-9} \text{ m} \times 1.2 \text{ m}}{3.8 \times 10^{-2} \text{ m}} \approx 4.0 \times 10^{-5} \text{ m} = 40 \text{ \mu m}.

Partie 1 :

  1. Lire la période TT sur le graphe de l'élongation en fonction du temps (Figure 2) et la longueur d'onde λ\lambda sur le graphe de l'aspect de la corde (Figure 1).
  2. Calculer la célérité VV en utilisant la relation V=λ/TV = \lambda/T.
  3. Lire l'instant t1t_1 sur la Figure 2 et la distance dd sur la Figure 1.

Partie 2 :

  1. Identifier le phénomène de diffraction et son implication sur la nature de la lumière.
  2. Rappeler la formule de la largeur de la tache centrale LL en fonction de λ\lambda, DD et aa pour la diffraction par une fente.
  3. Utiliser la formule L=2λDaL = \frac{2\lambda D}{a} pour calculer a1a_1 en convertissant les unités si nécessaire.
Exercice 2·Facile

Exercice 1 (3 points) : propagation d'ondes mécaniques et d'ondes lumineuses

Les ondes mécaniques et les ondes lumineuses sont caractérisées par des propriétés bien déterminées. Les phénomènes liés à leur propagation permettent de fournir des informations sur les milieux de propagation et la nature de la lumière, et de déterminer certains paramètres caractéristiques.

Le but de l'exercice est de reconnaître quelques propriétés des ondes ultrasonores et des ondes lumineuses à partir de leur propagation dans différents milieux.

1. Propriétés des ondes ultrasonores et des ondes lumineuses

Recopier sur votre copie, le numéro de la question, et écrire la lettre correspondante à la seule proposition vraie parmi :

a. les ondes ultrasonores sont des ondes longitudinales. b. le domaine de fréquences de la lumière visible est limité entre 400400 nm et 10001000 nm. c. les ondes ultrasonores et les ondes lumineuses ont même célérité de propagation dans le même milieu. d. la fréquence des ondes lumineuses varie d'un milieu à un autre.

2. Propagation des ondes ultrasonores

On place en une même position, un émetteur E et un récepteur R des ondes ultrasonores, à la distance d=42,5d = 42,5 cm de l'obstacle. Les ondes ultrasonores qui se propagent à partir de E, se réfléchissent sur l'obstacle puis sont reçues par R. Un système d'acquisition informatique permet de visualiser l'onde émise (a) et l'onde reçue (b). La figure (1) donne l'oscillogramme obtenu.

2.1. Déterminer la valeur du retard temporel τ\tau entre les ondes (a)et(b). 2.2. Vérifier que la valeur de la célérité de propagation dans l'air est vair=340v_{air} = 340 m.s1^{-1}. 2.3. On répète l'expérience en utilisant le même dispositif, et l'eau comme milieu de propagation. On obtient avec le même système d'acquisition informatique l'oscillogramme représenté sur la figure (2). Dans quel milieu (air/eau), la propagation des ondes ultrasonores est plus rapide ? Justifier votre réponse.

3. Propagation des ondes lumineuses

On éclaire une fente verticale de largeur a=0,1a = 0,1 mm, à l'aide d'un laser qui donne une lumière monochromatique de longueur d'onde λ=632,8\lambda = 632,8 nm. On observe sur un écran placé à la distance DD de la fente, des taches lumineuses mettant en évidence le phénomène de diffraction. La largeur de la tache centrale s'exprime par : L=2λDaL = \frac{2\lambda D}{a}. La célérité de la lumière dans le vide (ou l'air) est c=3,108c = 3,10^8 m.s1^{-1}.

3.1. Déterminer la valeur de la fréquence ν\nu de la lumière utilisée. 3.2. On refait l'expérience en utilisant un fil très fin vertical de diamètre a0a_0, on obtient une tache centrale de largeur L0=2LL_0 = 2L. Déterminer la valeur de a0a_0.

Figure 1 et Figure 2

Voir la correction
  1. Proposition (a) correcte. 2.1. Retard temporel τ=2,5\tau = 2,5 ms. 2.2. Vérification de la valeur de vairv_{air}: vair=2d/τ=340v_{air} = 2d/\tau = 340 m.s1^{-1}. 2.3. L'eau; justification: le retard temporel est plus faible dans l'eau, donc la célérité est plus grande. 3.1. Fréquence ν=4,74×1014\nu = 4,74 \times 10^{14} Hz. 3.2. Diamètre a0=0,05a_0 = 0,05 mm.
  1. Définir une onde mécanique et sa célérité. Connaître les limites des longueurs d'onde dans le vide du spectre visible et les couleurs correspondantes. Définir une onde transversale et une onde longitudinale. Savoir que la fréquence d'une radiation monochromatique ne change pas lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre. Savoir que la lumière a un aspect ondulatoire, en se basant sur le phénomène de diffraction. 2.1. Lire le retard temporel τ\tau sur l'oscillogramme. 2.2. Utiliser la relation v=2d/τv = 2d/\tau pour vérifier la célérité. 2.3. Comparer les retards temporels dans l'air et l'eau pour déduire le milieu où la propagation est plus rapide. 3.1. Connaître et exploiter la relation c=λνc = \lambda \nu et connaître l'unité et la signification de cc, λ\lambda et ν\nu. 3.2. Exploiter des mesures expérimentales pour vérifier la relation L=2λD/aL = 2\lambda D/a.
Exercice 3·Facile

Une lumière monochromatique de fréquence ν=5.0×1014\nu = 5.0 \times 10^{14} Hz passe de l'air (n1=1.00n_1 = 1.00) dans un verre d'indice n2=1.50n_2 = 1.50. Calculer sa longueur d'onde dans l'air puis dans le verre. Donnée : c=3.0×108c = 3.0 \times 10^{8} m/s.

Voir la correction

Dans l'air : lambdaairlambda_air = c/nu = 3.0x108x10^8 / 5.0x1014x10^14 = 6.0x10^-7 m = 600 nm. Dans le verre la fréquence est inchangée et la célérité vaut v = c/n2 = 2.0x108x10^8 m/s, donc lambdaverrelambda_verre = v/nu = 4.0x10^-7 m = 400 nm (= lambdaairlambda_air/n2).

La fréquence est conservée à la traversée d'un dioptre ; lambda = v/nu avec v = c/n dans le milieu.

Exercice 4·Facile

PHYSIQUE (13 points) Exercice 1 (2,5 points) : Ondes ultrasonores Les ondes ultrasonores sont des ondes mécaniques qui peuvent se propager dans des milieux différents. Elles engendrent dans des conditions bien définies certains phénomènes physiques. Pour déterminer la célérité d'une onde ultrasonore de fréquence NN dans deux milieux différents, on utilise un dispositif constitué d'un émetteur EE et d'un récepteur RR fixés aux extrémités d'un tube. EE et RR sont reliés à un oscilloscope. Données : * Distance émetteur - récepteur : D=ER=1 mD = ER=1 \text{ m};

  • N=40 kHzN = 40 \text{ kHz}. 0,5 1. L'onde ultrasonore est-elle une onde longitudinale ou transversale?
  1. On remplit le tube par de l'eau. L'oscillogramme ci-contre représente le signal émis par EE et celui reçu par RR. Recopier sur votre copie le numéro de la question et écrire la lettre correspondante à la proposition vraie. 0,75 2.1. La célérité des ultrasons dans l'eau vaut: A c=1520 m.s1c = 1520 \text{ m.s}^{-1} B c=620 m.s1c = 620 \text{ m.s}^{-1} C c=1667 m.s1c=1667 \text{ m.s}^{-1} D c=330 m.s1c = 330 \text{ m.s}^{-1} 0,5 2.2. La longueur d'onde de l'onde ultrasonore vaut : A λ=25,2 mm\lambda = 25,2 \text{ mm} B λ=30,5 mm\lambda = 30,5 \text{ mm} C λ=37,2 mm\lambda = 37,2 \text{ mm} D λ=41,7 mm\lambda = 41,7 \text{ mm} 0,75 3. On remplace l'eau par un autre liquide, on constate que le décalage horaire entre le signal émis et le signal reçu est Δt=0,9 s\Delta t = 0,9 \text{ s}. La célérité des ultrasons dans le liquide, a-t-elle augmenté ou diminué par rapport à celle dans l'eau? Justifier.
Voir la correction
  1. L'onde ultrasonore est longitudinale. 2.1. A 2.2. C
  2. La célérité des ultrasons dans le liquide a diminué par rapport à celle dans l'eau. Justification: La célérité est inversement proportionnelle au décalage horaire pour une distance fixe. Puisque Δt\Delta t a augmenté de 0,6 ms0,6 \text{ ms} à 0,9 ms0,9 \text{ ms}, la célérité a diminué.
  1. Définir le type d'onde ultrasonore. 2.1. Calculer le décalage temporel Δt\Delta t à partir de l'oscillogramme, puis utiliser la formule c=D/Δtc = D/\Delta t. 2.2. Utiliser la formule λ=c/N\lambda = c/N.
  2. Comparer le nouveau Δt\Delta t avec l'ancien pour déduire la variation de la célérité et justifier.
Exercice 5·Moyen

Une onde se propage à la surface de l'eau. Un vibreur impose une fréquence N = 25 Hz et on mesure une longueur d'onde λ=1.2\lambda = 1.2 cm. Calculer la célérité v de l'onde, puis indiquer si deux points distants de d = 3.0 cm vibrent en phase ou en opposition de phase.

Voir la correction

v = lambda . N = 1.2x10^-2 x 25 = 0.30 m/s. d/lambda = 3.0/1.2 = 2.5 = 2 + 1/2, soit un nombre demi-entier de longueurs d'onde -> les deux points vibrent en OPPOSITION de phase.

Appliquer v = lambda.N (unités SI) ; comparer d/lambda à un entier (en phase) ou un demi-entier (opposition de phase).

Exercice 6·Moyen

Un faisceau laser de longueur d'onde λ=633\lambda = 633 nm éclaire une fente de largeur a=0.10a = 0.10 mm. La figure de diffraction est observée sur un écran à D=2.0D = 2.0 m. Calculer la demi-largeur angulaire θ\theta puis la largeur LL de la tache centrale.

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theta = lambda/a = 633x10^-9 / 0.10x10^-3 = 6.33x10^-3 rad. Largeur de la tache centrale : L = 2.D.theta = 2 x 2.0 x 6.33x10^-3 = 2.5x10^-2 m = 2.5 cm.

Utiliser theta = lambda/a (petit angle, en rad) puis la largeur de la tache centrale L = 2.D.theta ; convertir toutes les grandeurs en mètres.

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