Chapitre 3 : lumière modèle ondulatoire

PROPAGATION DES ONDES ( d’après bac 2005/11 Nouvelle Calédonie 4 points)

Cet exercice est un questionnaire à réponses ouvertes courtes. A chaque question peuvent correspondre aucune, une ou plusieurs propositions exactes. Pour chacune des questions, plusieurs réponses ou affirmations sont proposées .Pour chaque questions inscrire en toutes lettres « vrai » ou « faux » .Donner une justification ou une explication pour chaque affirmation. Une réponse fausse ou une absence de réponse sera évaluée de la même façon.

Les parties 1, 2, 3 et 4 sont indépendantes et peuvent être traitées séparément.

1. Ondes infrasonores.

Les éléphants émettent des infrasons (dont la fréquence est inférieure à 20 Hz). Cela leur permet de communiquer sur de longues distances et de se rassembler. Un éléphant est sur le bord d’une étendue d’eau et désire indiquer à d’autres éléphants sa présence. Pour cela, il émet un infrason de fréquence f = 10 Hz. Un autre éléphant, situé à une distance L , reçoit l’onde au bout d’une durée Dt = 70,6 s. La valeur de la célérité de l’infrason dans l’air est v = 340 m.s^-1 .

:

1.1. La distance entre les 2 éléphants est L = 26,8 km

1.2. 2 points distants l’un de l’autre de d = 34 m vibrent en opposition de phase

1.3. Un infrason de fréquence f = 15 Hz se déplacent avec une célérité v = 340 m.s^-1. Par conséquent l’air est un milieu dispersif pour les infrasons.

2. Ondes à la surface de l’eau

Au laboratoire, on dispose d’une cuve à onde contenant de l’eau immobile à la surface de laquelle flotte un petit morceau de polystyrène. On laisse tomber une goutte d’eau au-dessus de la cuve, à l’écart du morceau de polystyrène. Une onde se propage à la surface de l’eau.

2.1. Ceci correspond :

2.1.1. à une onde mécanique ;

2.1.2. à une onde longitudinale ;

2.1.3. la fréquence de vibration d’un point de la surface diminue au cours du temps ;

2.1.4. Les lignes d’ondes sont rectilignes ;

2.2. L’onde atteint le morceau de polystyrène.

2.2.1. Celui-ci se déplace parallèlement à la direction de propagation de l’onde ;

2.2.2. Celui-ci se déplace perpendiculairement à la direction de propagation de l’onde ;

.2.2.3. La fréquence de vibration du polystyrène est identique à celle de la source.

3. Ondes le long d’une corde

L’extrémité gauche d’une corde est reliée à un vibreur effectuant des oscillations sinusoïdales entretenues à partir d’un instant de date t₀ = 0 s. Les graphiques 1 et 2 représentent l’état de la corde à une date donnée. Les élongations y et les abscisses x sont graduées en cm. On néglige tout amortissement dans la totalité des questions de cette partie 3.

.

3.1. Le graphique 2 ci-dessus permet de déterminer la valeur numérique de la longueur d’onde l (t₁ = 30 ms, t₂ = 90 ms) .

On trouve :

3.1.1. l = 20 cm ;

3.1.2. l = 30 cm ;

3.1.3. (question indépendante de 3.1.1 et 3.1.2) La longueur d’onde est la distance séparant 2 points qui vibrent en phase.

3.2. À partir des graphiques 1 et 2, déterminer la valeur de la période temporelle T :

3.2.1. T = 30 ms ;

3.2.2. T = 60 ms ;

3.2.3. T = 18 ms .

3.3. La célérité de l’onde dans la corde est :

3.3.1. v = 5,5 m.s^-1 ;

3.3.2. v = 10,0 m.s^-1 ;

3.3.3. v = 15,0 m.s^-1 .

3.4. Dans la même expérience, parmi les graphes 3, 4, 5 et 6 ci-dessous, celui représentant l’aspect de
la corde à l’instant de date t = 180 ms est le :

3.4.1. graphe 3 ;

3.4.2. graphe 4 ;

3.4.3. graphe 5 ;

3.4.4. graphe 6 .

4. Ondes lumineuses

c = 3,00x10⁸ m.s^-1

4.1. La propagation de la lumière visible :

4.1.1. montre que c’est une onde mécanique ;

4.1.2. s’effectue avec une célérité plus petite dans l’eau que dans le vide (indice de réfraction
de l’eau : n = 1,3) ;

4.1.3. s’effectue avec la même célérité, dans un milieu dispersif donné, quelle que soit la fréquence de la radiation.

4.2. La lumière rouge :

4.2.1. correspond à des longueurs d’onde plus grandes que celles de la lumière bleue ;

4.2.2. se situe dans un domaine de fréquences plus petites que celles du domaine de
l’infrarouge ;

4.2.3. A la même longueur d’onde dans le vide et dans l’eau

4.3. Diffraction de la lumière

4.3.1. Si la largeur de la tache centrale est L = 5,0 cm, que la distance entre la fente est ‘écran est D = 2,0 m, que la largeur de la fente est a = 50 µm, alors la radiation monochromatique du laser est

4.3.2. Pour une lumière monochromatique, l’écart angulaire du faisceau diffracté par une fente
est proportionnel à la largeur de la fente ;

4.3.3. L’écart angulaire du faisceau diffracté par une fente de largeur donnée est plus petit pour une radiation rouge que pour une radiation bleue.