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Physique · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Propagation d'une onde lumineuse

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Célérité : La vitesse de la lumière dans le vide est $c \approx 3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$. Dans un milieu d'indice $n$, elle est $v = \frac{c}{n}$.
  • Fréquence et longueur d'onde : La fréquence $\nu$ est indépendante du milieu. La longueur d'onde dans le vide est $\lambda_0 = \frac{c}{\nu}$ et dans un milieu est $\lambda = \frac{v}{\nu} = \frac{\lambda_0}{n}$.
  • Milieu dispersif : Un milieu est dispersif si l'indice $n$ dépend de la fréquence $\nu$ (donc de $\lambda_0$).
  • Diffraction : Lorsqu'une onde lumineuse rencontre une fente de largeur $a$ (de l'ordre de $\lambda$), elle s'étale. L'angle caractéristique est $\theta = \frac{\lambda}{a}$ (en radians).
  • Tache centrale : La largeur de la tache centrale sur un écran à une distance $D$ est $L = \frac{2\lambda D}{a}$.

Méthodes à maîtriser

  • Calculer l'indice de réfraction d'un milieu.
  • Utiliser la relation $\lambda = \frac{v}{\nu}$ pour comparer les longueurs d'onde dans différents milieux.
  • Exploiter la formule de la diffraction pour déterminer la largeur d'une fente ou la longueur d'onde d'un laser.
  • Vérifier si un milieu est dispersif en comparant les indices pour différentes longueurs d'onde.

Exemples corrigés

  • Calcul de $L$ : Laser ($\lambda = 633 , \text{nm}$), fente $a = 0,1 , \text{mm}$, écran $D = 2 , \text{m}$. $L = \frac{2 \times 633 \times 10^{-9} \times 2}{0,1 \times 10^{-3}} = 2,53 \times 10^{-2} , \text{m} = 2,53 , \text{cm}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les unités (ex: $a$ en mm, $\lambda$ en nm).
  • Confondre $\lambda_0$ (vide) et $\lambda$ (milieu).
  • Croire que la fréquence change lors du passage d'un milieu à un autre.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Propagation d'une onde lumineuse

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Laquelle de ces grandeurs ne change pas lors de la réfraction ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la fréquence change quand la lumière passe du verre à l'air ?

Non, la fréquence $\nu$ est une caractéristique de la source lumineuse. Elle reste constante quel que soit le milieu traversé. Seules la célérité $v$ et la longueur d'onde $\lambda$ changent.

💡 À retenir : La fréquence est invariante lors du changement de milieu.

kifach n7seb l-3ard d l-bqa3a l-markaziya L ila kan 3andi l-fatha a w l-masafa D ?
  1. Utilisez la formule de l'angle caractéristique : $\theta = \frac{\lambda}{a}$.
  2. Utilisez la relation géométrique dans le triangle rectangle : $\tan(\theta) = \frac{L/2}{D}$.
  3. Comme $\theta$ est très petit, $\tan(\theta) \approx \theta$, donc $\theta = \frac{L}{2D}$.
  4. En égalant les deux expressions : $\frac{\lambda}{a} = \frac{L}{2D}$, d'où $L = \frac{2\lambda D}{a}$.

💡 À retenir : $L = \frac{2\lambda D}{a}$ avec $L, \lambda, D, a$ dans les mêmes unités (mètres).

Pourquoi la lumière blanche est-elle dispersée par un prisme ?

La lumière blanche est composée de plusieurs radiations monochromatiques de fréquences différentes. Le verre du prisme est un milieu dispersif, ce qui signifie que son indice de réfraction $n$ dépend de la fréquence. Chaque couleur est donc déviée différemment, ce qui sépare les couleurs.

💡 À retenir : La dispersion est due à la dépendance de l'indice $n$ vis-à-vis de la fréquence.

wach l-mawja daw'iya kat-htaj l-wasaṭ madi bach t-ntacher ?

Non, contrairement aux ondes mécaniques, l'onde lumineuse est une onde électromagnétique qui peut se propager dans le vide.

💡 À retenir : La lumière se propage dans le vide à la vitesse $c$.

Si on augmente la largeur de la fente a, que devient la largeur de la tache L ?

D'après la formule $L = \frac{2\lambda D}{a}$, la largeur $L$ est inversement proportionnelle à $a$. Donc, si $a$ augmente, $L$ diminue. La tache centrale devient plus étroite.

💡 À retenir : Plus la fente est étroite, plus la diffraction est importante.

Est-ce que la couleur d'une lumière dépend de sa fréquence ou de sa longueur d'onde ?

La couleur est déterminée par la fréquence $\nu$, qui reste constante. La longueur d'onde $\lambda$ dépend du milieu, mais la couleur perçue par l'œil ne change pas lors du passage dans un milieu transparent.

💡 À retenir : La fréquence est la "carte d'identité" de la couleur.

kifach n3ref wach l-wasaṭ mbeded (dispersif) ola la ?

Un milieu est dispersif si l'indice de réfraction $n$ varie en fonction de la fréquence $\nu$ (ou de la longueur d'onde dans le vide $\lambda_0$). Si $n$ est constant pour toutes les fréquences, le milieu n'est pas dispersif.

💡 À retenir : $n = f(\nu)$ signifie milieu dispersif.

Quelle est la relation entre l'indice n et la célérité v ?

L'indice de réfraction est défini par $n = \frac{c}{v}$, où $c$ est la célérité dans le vide et $v$ la célérité dans le milieu. Comme $v \leq c$, alors $n \geq 1$.

💡 À retenir : $n = c/v$.

Pourquoi utilise-t-on un laser pour les expériences de diffraction ?

Le laser émet une lumière monochromatique (une seule fréquence) et directive. Cela permet d'obtenir une figure de diffraction nette et précise, facile à mesurer.

💡 À retenir : La monochromaticité simplifie l'analyse de la diffraction.

Si lambda0 = 600 , text{nm} dans le vide, quelle est sa longueur d'onde dans l'eau (n=1,33) ?

On utilise la relation $\lambda = \frac{\lambda_0}{n}$. $\lambda = \frac{600 \times 10^{-9}}{1,33} \approx 451 \times 10^{-9} , \text{m} = 451 , \text{nm}$.

💡 À retenir : La longueur d'onde diminue dans un milieu plus dense.

La diffraction est-elle possible avec une onde sonore ?

Oui, la diffraction est un phénomène propre à toutes les ondes. Elle se produit lorsque la dimension de l'ouverture est comparable à la longueur d'onde.

💡 À retenir : La diffraction est une propriété ondulatoire générale.

Quelle est la valeur de l'angle theta si a = 0,2 , text{mm} et lambda = 600 , text{nm} ?

$\theta = \frac{\lambda}{a} = \frac{600 \times 10^{-9}}{0,2 \times 10^{-3}} = \frac{600 \times 10^{-9}}{2 \times 10^{-4}} = 300 \times 10^{-5} = 3 \times 10^{-3} , \text{rad}$.

💡 À retenir : Toujours convertir en mètres avant de calculer.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un faisceau laser de longueur d'onde $\lambda = 632,8 , \text{nm}$ éclaire une fente verticale de largeur $a$. Sur un écran situé à une distance $D = 2,0 , \text{m}$, on observe une figure de diffraction. La largeur de la tache centrale est $L = 2,5 , \text{cm}$.

  1. Calculer la largeur $a$ de la fente.
  2. Si on remplace le laser par une source de lumière bleue ($\lambda' = 450 , \text{nm}$), comment varie la largeur $L$ ? Justifier.
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Exercice 2

Un milieu transparent a un indice de réfraction $n(\lambda_0) = A + \frac{B}{\lambda_0^2}$ avec $A=1,45$ et $B=5,0 \times 10^{-15} , \text{m}^2$.

  1. Calculer l'indice de réfraction pour $\lambda_0 = 400 , \text{nm}$ et $\lambda_0 = 700 , \text{nm}$.
  2. Ce milieu est-il dispersif ? Justifier.
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Exercice 3

Une onde lumineuse monochromatique passe de l'air ($n_1 \approx 1$) à un milieu d'indice $n_2 = 1,5$.

  1. Comparer les fréquences dans les deux milieux.
  2. Comparer les célérités $v_1$ et $v_2$.
  3. Si $\lambda_1 = 600 , \text{nm}$, calculer $\lambda_2$.
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