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Physique-Chimie · Prépa concours post-bac — Écoles militaires & royales

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

  • La lumière est une onde électromagnétique. Dans le vide ou l'air, sa célérité est $c \approx 3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$.
  • La fréquence $\nu$ d'une onde lumineuse est indépendante du milieu traversé.
  • La longueur d'onde dans le vide est $\lambda_0 = \frac{c}{\nu}$. Dans un milieu d'indice $n$, elle devient $\lambda = \frac{\lambda_0}{n} = \frac{v}{\nu}$.
  • Un milieu est dispersif si la célérité de l'onde dépend de sa fréquence (donc si $n$ dépend de $\lambda_0$).
  • Phénomène de diffraction : lorsqu'une onde lumineuse rencontre une fente de largeur $a$ (de l'ordre de $\lambda$), elle s'étale. L'écart angulaire est $\theta = \frac{\lambda}{a}$.
  • La largeur de la tache centrale sur un écran situé à une distance $D$ est $L = \frac{2\lambda D}{a}$.

Méthodes à maîtriser

  • Convertir systématiquement les distances en mètres (m) et les longueurs d'onde en nanomètres ($1 , \text{nm} = 10^{-9} , \text{m}$).
  • Vérifier la cohérence des unités dans la formule $L = \frac{2\lambda D}{a}$ : $L$, $\lambda$, $D$ et $a$ doivent être dans la même unité (souvent le mètre).
  • Savoir identifier un milieu dispersif : si $n$ varie avec $\lambda_0$, alors le milieu est dispersif.

Exemples corrigés

  • Calcul de $\lambda$ : Si $\lambda_0 = 600 , \text{nm}$ dans le vide et $n = 1,5$ dans le verre, alors $\lambda = \frac{600}{1,5} = 400 , \text{nm}$.
  • Calcul de $L$ : Avec $\lambda = 600 , \text{nm}$, $a = 0,1 , \text{mm}$ et $D = 2 , \text{m}$, on a $L = \frac{2 \times 600 \times 10^{-9} \times 2}{0,1 \times 10^{-3}} = 2,4 \times 10^{-2} , \text{m} = 2,4 , \text{cm}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les nanomètres en mètres.
  • Confuser la largeur de la tache centrale ($L$) avec le demi-écart angulaire ($\theta$).
  • Penser 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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La fréquence d'une onde lumineuse :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la fréquence change quand la lumière passe du vide au verre ?

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 : $\nu$ est invariante.

Kifach n7seb l-indice de réfraction n ila 3tani lambda0 w lambda ?

L'indice de réfraction est défini par le rapport $n = \frac{\lambda_0}{\lambda}$. Il suffit de diviser la longueur d'onde dans le vide par la longueur d'onde dans le milieu.

💡 À retenir : $n = \frac{\lambda_0}{\lambda} = \frac{c}{v}$.

Est-ce que la lumière blanche est monochromatique ?

Non, la lumière blanche est polychromatique. Elle est composée d'une infinité de radiations monochromatiques ayant des longueurs d'onde différentes (le spectre visible).

💡 À retenir : Une onde monochromatique n'a qu'une seule fréquence.

Chno hiya l-far9 bin l-mowja l-mikanikiya w l-mowja daw'iya ?

L'onde mécanique a besoin d'un milieu matériel pour se propager (ex: son), alors que l'onde lumineuse peut se propager dans le vide.

💡 À retenir : La lumière est une onde électromagnétique.

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

D'après la formule $L = \frac{2\lambda D}{a}$, la largeur $L$ est inversement proportionnelle à $a$. Si $a$ augmente, $L$ diminue.

💡 À retenir : Plus la fente est large, moins la diffraction est marquée.

Kifach n3ref wach l-wasat moubtid (dispersif) wla la ?

Un milieu est dispersif si l'indice de réfraction $n$ dépend de la fréquence (ou de $\lambda_0$). Si $n$ est constant pour toutes les couleurs, le milieu n'est pas dispersif.

💡 À retenir : Le vide n'est pas dispersif.

Quelle est la valeur de la célérité de la lumière dans le vide ?

La célérité de la lumière dans le vide est notée $c$ et vaut exactement $299,792,458 , \text{m/s}$. On utilise souvent la valeur approchée $3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$.

💡 À retenir : $c \approx 3,00 \times 10^8 , \text{m/s}$.

Pourquoi voit-on des couleurs avec un prisme ?

Le prisme est un milieu dispersif. Chaque radiation (couleur) de la lumière blanche possède une longueur d'onde différente et subit une déviation différente, ce qui sépare les couleurs.

💡 À retenir : La dispersion est due à la dépendance de $n$ vis-à-vis de $\lambda$.

Est-ce que la diffraction dépend de la distance D ?

Oui, la largeur de la tache centrale $L$ est proportionnelle à la distance $D$ entre la fente et l'écran. Plus l'écran est loin, plus la tache est large.

💡 À retenir : $L \propto D$.

Quelle est l'unité de l'écart angulaire theta ?

L'écart angulaire $\theta$ s'exprime en radians (rad).

💡 À retenir : $\theta = \frac{\lambda}{a}$ (en rad).

Est-ce que la lumière rouge est plus déviée que la lumière bleue par un prisme ?

Non, dans le verre, l'indice $n$ est plus grand pour les courtes longueurs d'onde (bleu). Le bleu est donc plus dévié que le rouge.

💡 À retenir : $n_{bleu} > n_{rouge}$.

Est-ce que la diffraction se produit avec n'importe quel objet ?

La diffraction est visible si la taille de l'ouverture ou de l'obstacle est comparable à la longueur d'onde $\lambda$ de la lumière.

💡 À retenir : $a \approx \lambda$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un laser émet une radiation monochromatique de longueur d'onde $\lambda = 633 , \text{nm}$ dans l'air. Le faisceau traverse une fente fine de largeur $a = 0,10 , \text{mm}$. Un écran est placé à une distance $D = 2,0 , \text{m}$ de la fente.

  1. Calculer l'écart angulaire $\theta$.
  2. Calculer la largeur $L$ de la tache centrale.
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Exercice 2

Un faisceau de lumière blanche arrive sur un prisme en verre. Expliquer pourquoi on observe un spectre coloré. Le verre est-il un milieu dispersif ?

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Exercice 3

La célérité d'une onde lumineuse dans un milieu transparent est $v = 2,0 \times 10^8 , \text{m/s}$. Calculer l'indice de réfraction $n$ de ce milieu.

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