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Physique · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

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

  • Vitesse de la lumière : Dans le vide, $c \approx 3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$. Dans un milieu d'indice $n$, $v = \frac{c}{n}$.
  • Fréquence : La fréquence $\nu$ est invariante lors du changement de milieu.
  • Longueur d'onde : $\lambda_0 = \frac{c}{\nu}$ (vide) et $\lambda = \frac{v}{\nu} = \frac{\lambda_0}{n}$ (milieu).
  • Phénomène de diffraction : Se produit quand la lumière rencontre une ouverture de dimension $a$ comparable à $\lambda$.
  • Écart angulaire : Pour une fente de largeur $a$, $\theta = \frac{\lambda}{a}$ (en radians).

Méthodes à maîtriser

  • Calculer l'indice de réfraction d'un milieu à partir de la vitesse.
  • Déterminer la longueur d'onde dans un milieu transparent.
  • Exploiter la figure de diffraction pour calculer la largeur d'une fente ou la longueur d'onde.
  • Vérifier si un milieu est dispersif (si $n$ dépend de $\lambda$).

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : Laser $\lambda_0 = 633 , \text{nm}$ dans l'air. Dans le verre ($n=1,5$), $\lambda = \frac{633}{1,5} = 422 , \text{nm}$.
  • Exemple 2 : Fente $a = 0,1 , \text{mm}$, $\lambda = 600 , \text{nm}$. $\theta = \frac{600 \times 10^{-9}}{0,1 \times 10^{-3}} = 6 \times 10^{-3} , \text{rad}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les unités (nm en m, mm en m).
  • Confondre la fréquence (constante) et la longueur d'onde (change avec le milieu).
  • Utiliser $\theta = \frac{a}{\lambda}$ au lieu de $\frac{\lambda}{a}$.

🌉 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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La fréquence d'une onde lumineuse :

❓ Questions fréquentes

Peut-on observer la diffraction avec une fenêtre ouverte ?

Non, car la largeur de la fenêtre est beaucoup trop grande par rapport à la longueur d'onde de la lumière visible (quelques centaines de nanomètres). La diffraction est négligeable.

💡 À retenir : Il faut $a \approx \lambda$.

La vitesse de la lumière change-t-elle dans le vide ?

Non, la vitesse de la lumière dans le vide est une constante universelle notée $c = 3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$. Elle ne change jamais.

💡 À retenir : $c$ est constante dans le vide.

Comment calculer la largeur de la tache centrale L sur un écran ?
  1. On utilise la relation $\theta = \frac{L}{2D}$ où $D$ est la distance fente-écran.
  2. Comme $\theta = \frac{\lambda}{a}$, on obtient $L = \frac{2 \lambda D}{a}$.

💡 À retenir : $L$ est proportionnelle à la distance $D$.

La longueur d'onde dans le vide est-elle toujours plus grande que dans le verre ?

Oui, car $\lambda = \frac{\lambda_0}{n}$. Comme l'indice $n$ du verre est supérieur à 1, alors $\lambda$ est forcément plus petite que $\lambda_0$.

💡 À retenir : $\lambda = \frac{\lambda_0}{n}$ avec $n > 1$.

Est-ce que la diffraction dépend de la distance écran-fente ?

L'écart angulaire $\theta$ ne dépend pas de la distance, mais la largeur de la tache centrale $L$ sur l'écran dépend directement de la distance $D$.

💡 À retenir : Plus l'écran est loin, plus la tache est grande.

Quelle est la différence entre réflexion et diffraction ?

La réflexion est le rebond de la lumière sur une surface plane. La diffraction est le contournement d'un obstacle ou d'une fente par l'onde lumineuse. Ce sont deux phénomènes physiques distincts.

💡 À retenir : Diffraction = étalement de la lumière.

La fréquence change-t-elle quand la lumière passe de l'air au verre ?

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

💡 À retenir : La fréquence est invariante.

Kifach n7seb l'indice de réfraction n ila 3tani sra3t daw' f lwasat ?
  1. Katchouf sra3t daw' f lwasat $v$ (b m/s).
  2. Katsta3ml l3ala9a $n = \frac{c}{v}$.
  3. $c$ hiya $3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$.

💡 À retenir : $n$ ma3ndouch wahda (sans unité) et $n \geq 1$.

Pourquoi la lumière est-elle déviée lors de la diffraction ?

La diffraction est une propriété ondulatoire. Lorsqu'une onde lumineuse rencontre un obstacle ou une ouverture de taille très petite (proche de $\lambda$), elle ne se propage plus en ligne droite mais s'étale dans toutes les directions.

💡 À retenir : La diffraction prouve le caractère ondulatoire de la lumière.

Chno hiya l3ala9a bin l'écart angulaire theta w l'ouverture a ?

L'écart angulaire $\theta$ est inversement proportionnel à la largeur de la fente $a$. Plus la fente est étroite, plus la tache centrale est large. La formule est $\theta = \frac{\lambda}{a}$.

💡 À retenir : Si $a$ diminue, $\theta$ augmente.

Est-ce que la lumière blanche est monochromatique ?

Non, la lumière blanche est polychromatique car elle est composée d'une infinité de radiations de longueurs d'onde différentes (le spectre visible). Une lumière monochromatique ne possède qu'une seule fréquence.

💡 À retenir : Monochromatique = une seule couleur/fréquence.

Wach l'indice de réfraction n kaytghayer ila tghayrat l'couleur (longueur d'onde) ?

Oui, dans un milieu dispersif (comme le verre ou l'eau), l'indice $n$ dépend de la longueur d'onde $\lambda$. C'est pour cela que la lumière blanche se décompose en un spectre (arc-en-ciel) à travers un prisme.

💡 À retenir : Milieu dispersif = $n$ dépend de $\lambda$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un faisceau laser de longueur d'onde $\lambda = 650 , \text{nm}$ éclaire une fente fine de largeur $a = 0,1 , \text{mm}$. Un écran est placé à une distance $D = 2 , \text{m}$. Calculer l'écart angulaire $\theta$ et la largeur de la tache centrale $L$.

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Exercice 2

La vitesse de la lumière dans un milieu transparent est $v = 2,0 \times 10^8 , \text{m/s}$. 1) Calculer l'indice de réfraction $n$. 2) Si la longueur d'onde dans le vide est $\lambda_0 = 600 , \text{nm}$, quelle est sa longueur d'onde dans ce milieu ?

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Exercice 3

Un milieu est dit dispersif si son indice $n$ dépend de la fréquence. Soit $n(\lambda) = 1,50 + \frac{b}{\lambda^2}$. Expliquer pourquoi la lumière blanche se décompose en traversant ce milieu.

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