Ensuite, ce contrôle de physique-chimie de première sur les ondes lumineuses (diffraction et interférences) dure 55 minutes. Puis la calculatrice est autorisée. De plus, le barème total est de 20 points ; les unités, les conversions et les chiffres significatifs comptent dans la notation.
Rappels : 1 nm = 10−9 m ; 1 µm = 10−6 m. Ensuite, pour une fente de largeur a éclairée par une lumière de longueur d’onde λ, l’écart angulaire θ (en radian, petit angle) du centre de la tache centrale au premier minimum vérifie θ = λ ÷ a.
Puis, ce contrôle est à télécharger en PDF et à imprimer gratuitement : le bouton se trouve en bas de la page, sans inscription.
Le sujet du contrôle sur les ondes lumineuses
Exercice 1 : questions de cours (3 points)
- Qu’appelle-t-on diffraction d’une onde ? À quelle condition est-elle nettement visible pour une fente ? (1 point)
- Donner, en fonction de la longueur d’onde λ, la condition sur la différence de marche δ pour que deux ondes de même phase à l’émission produisent en un point des interférences constructives, puis destructives. (1 point)
- Pourquoi la diffraction et les interférences de la lumière sont-elles un argument en faveur de son caractère ondulatoire ? (1 point)
Exercice 2 : diffraction par une fente (4 points)
Ainsi, un laser de longueur d’onde λ = 633 nm éclaire une fente verticale de largeur a = 0,10 mm. L’écran est à la distance D = 2,50 m de la fente.
- Pourquoi observe-t-on une figure de diffraction dont la tache centrale est étalée dans la direction perpendiculaire à la fente ? (1 point)
- Calculer l’écart angulaire θ. (1 point)
- Établir l’expression de la largeur L de la tache centrale en fonction de λ, D et a, puis la calculer. (1 point)
- Par ailleurs, on remplace la fente par une fente de largeur 0,20 mm. Quelle est la nouvelle largeur de la tache centrale ? (1 point)
Exercice 3 : mesure du diamètre d’un cheveu (5 points)
De plus, on éclaire avec un laser de longueur d’onde inconnue des fentes de largeurs a variables, placées à D = 3,00 m de l’écran. Par ailleurs, on mesure la largeur L de la tache centrale et on trace L en fonction de 1 ÷ a. Puis on remplace ensuite la fente par un cheveu : la tache centrale mesure L’ = 4,0 cm.
- Justifier, à l’aide de la courbe, que L est inversement proportionnelle à a. (1 point)
- Déterminer le coefficient directeur k de la droite, avec son unité. (1,5 point)
- Sachant que L = 2λD ÷ a, exprimer k en fonction de λ et D, puis calculer la longueur d’onde λ du laser en nm. (1 point)
- Donc, en déduire le diamètre du cheveu. (1,5 point)
Exercice 4 : fentes d’Young (5 points)
Enfin, une lumière monochromatique de longueur d’onde λ = 600 nm éclaire deux fentes très fines S1 et S2 distantes de b = 0,50 mm. L’écran est à D = 2,00 m. Ensuite, on observe des franges d’interférences. Puis un point M de l’écran est situé à x = 3,6 mm du centre de la frange centrale.
- Calculer l’interfrange i = λD ÷ b. (1 point)
- Ensuite, la différence de marche en M vaut δ = b × x ÷ D. La calculer. (1 point)
- Comparer δ à λ et en déduire si M est sur une frange brillante ou sombre. Justifier. (1,5 point)
- Quelle est la distance entre le centre de la frange centrale et le centre de la sixième frange brillante qui la suit ? (1 point)
- Puis, on remplace la lumière par une lumière bleue de longueur d’onde plus faible. L’interfrange augmente-t-il ou diminue-t-il ? (0,5 point)
Exercice 5 : interférences en différents points (3 points)
Ainsi, deux sources synchrones émettent en phase des ondes lumineuses de longueur d’onde λ = 500 nm. De plus, pour trois points de l’écran, la différence de marche vaut respectivement δA = 1,50 µm, δB = 1,75 µm et δC = 1,25 µm.
- Calculer le rapport δ ÷ λ pour chacun des trois points. (1 point)
- Indiquer pour chaque point la nature de l’interférence (constructive ou destructive) et l’aspect de l’écran. (2 points)
