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

Lumière : ondes et particules

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 présente une dualité onde-corpuscule : elle se comporte comme une onde (phénomènes d'interférence, diffraction) et comme un flux de particules appelées photons. L'énergie d'un photon est donnée par : $E = h \cdot \nu = \frac{h \cdot c}{\lambda}$

  • $h \approx 6,63 \cdot 10^{-34} , \text{J.s}$
  • $\nu$ est la fréquence en Hz.
  • $c \approx 3,00 \cdot 10^8 , \text{m/s}$.

L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un métal sous l'action d'un rayonnement lumineux. L'équation d'Einstein est : $E_{ph} = W_s + E_{c,max}$ où $W_s$ est le travail d'extraction et $E_{c,max} = \frac{1}{2} m_e v_{max}^2$. La condition pour l'effet photoélectrique est $\nu \geq \nu_s$ (fréquence seuil).

Méthodes à maîtriser

  1. Conversion d'unités : Passer des eV (électron-volts) aux Joules ($1 , \text{eV} = 1,6 \cdot 10^{-19} , \text{J}$).
  2. Calcul de l'énergie d'un photon à partir de $\lambda$ ou $\nu$.
  3. Utilisation de l'équation d'Einstein pour déterminer la vitesse maximale des électrons émis.

Exemples corrigés

Exemple : Un photon de longueur d'onde $\lambda = 400 , \text{nm}$ frappe une plaque de métal avec $W_s = 2,0 , \text{eV}$.

  1. $E = \frac{6,63 \cdot 10^{-34} \cdot 3 \cdot 10^8}{400 \cdot 10^{-9}} = 4,97 \cdot 10^{-19} , \text{J}$.
  2. Conversion en eV : $E = \frac{4,97 \cdot 10^{-19}}{1,6 \cdot 10^{-19}} \approx 3,1 , \text{eV}$.
  3. $E_{c,max} = 3,1 - 2,0 = 1,1 , \text{eV}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les nanomètres (nm) en mètres (m) dans le calcul de $E$.
  • Confondre la fréquence seuil $\nu_s$ avec la fréquence du photon incident.
  • Utiliser la masse de l'atome au lieu de la masse de l'électron ($m_e \approx 9,1 \cdot 10^{-31} , \text{kg}$) dans le calcul de $E_c$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Lumière : ondes et particules

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L'énergie d'un photon est proportionnelle à :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la lumière est toujours une particule ?

Non, la lumière possède une nature duale. Selon l'expérience, elle se manifeste soit comme une onde (diffraction, interférence), soit comme un corpuscule (effet photoélectrique). On ne peut pas observer les deux aspects simultanément.

💡 À retenir : La nature de la lumière dépend du dispositif expérimental utilisé.

Kifach n7seb l'energie dyal photon b eV?
  1. Hseb l'energie b Joules b l'formule $E = \frac{h \cdot c}{\lambda}$.
  2. Qsem l'resultat li lqiti 3la $1,6 \cdot 10^{-19}$.

💡 À retenir : $1 , \text{eV} = 1,6 \cdot 10^{-19} , \text{J}$.

Pourquoi l'effet photoélectrique ne se produit pas avec n'importe quelle lumière ?

Parce que chaque métal a un travail d'extraction $W_s$ spécifique. Si l'énergie du photon incident ($h\nu$) est inférieure à $W_s$, le photon n'a pas assez d'énergie pour arracher l'électron.

💡 À retenir : Il faut que $h\nu \geq W_s$.

Chno hiya l'relation bin l'energie dyal photon o l'frequence?

L'relation hiya $E = h \cdot \nu$. L'energie kat-zayd m3a l'frequence.

💡 À retenir : $E$ et $\nu$ sont proportionnelles.

Est-ce que l'intensité lumineuse change l'énergie des photons ?

Non. L'énergie d'un photon dépend uniquement de sa fréquence (ou longueur d'onde). L'intensité lumineuse change seulement le nombre de photons émis par seconde.

💡 À retenir : Intensité = nombre de photons ; Fréquence = énergie par photon.

Kifach n3ref wach l'effet photoélectrique ghadi ytra?

Khassk tqaren l'frequence dyal daw li 3ndk m3a l'frequence seuil dyal l'metal. Ila kant $\nu \geq \nu_s$, l'effet kyt-tra.

💡 À retenir : $\nu_s = \frac{W_s}{h}$.

Quelle est la différence entre un photon et un électron ?

Le photon est une particule de lumière sans masse, se déplaçant à $c$. L'électron est une particule de matière avec une masse ($m_e \approx 9,1 \cdot 10^{-31} , \text{kg}$) et une charge électrique.

💡 À retenir : Le photon transporte l'énergie, l'électron transporte la charge.

Pourquoi utilise-t-on souvent les eV en physique atomique ?

Parce que les énergies mises en jeu à l'échelle atomique sont extrêmement petites (de l'ordre de $10^{-19}$ Joules). Les eV permettent d'avoir des valeurs plus lisibles (ex: 2 eV au lieu de $3,2 \cdot 10^{-19}$ J).

💡 À retenir : L'eV est l'unité pratique pour l'infiniment petit.

Est-ce que la vitesse de l'électron émis dépend de l'intensité ?

Non, la vitesse maximale dépend uniquement de la fréquence du photon incident et du travail d'extraction du métal. L'intensité augmente seulement le nombre d'électrons émis (courant photoélectrique).

💡 À retenir : $E_{c,max} = h\nu - W_s$.

Qu'est-ce que la constante de Planck ?

C'est une constante fondamentale de la physique quantique qui lie l'énergie d'un photon à sa fréquence. Elle vaut $6,63 \cdot 10^{-34} , \text{J.s}$.

💡 À retenir : Elle marque la limite entre le monde classique et le monde quantique.

Est-ce que tous les métaux ont le même travail d'extraction ?

Non, chaque métal possède un travail d'extraction propre qui dépend de la nature du métal et de sa structure électronique.

💡 À retenir : $W_s$ est une caractéristique intrinsèque du métal.

Est-ce que le photon peut être arrêté ?

Le photon ne peut pas être "arrêté" au repos car il n'a pas de masse. Il est soit absorbé par la matière (transférant toute son énergie), soit il continue de se propager à la vitesse $c$.

💡 À retenir : Un photon absorbé disparaît totalement.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un rayonnement monochromatique de longueur d'onde $\lambda = 250 , \text{nm}$ éclaire une surface de zinc. Le travail d'extraction du zinc est $W_s = 4,3 , \text{eV}$.

  1. Calculer l'énergie d'un photon incident en Joules, puis en eV.
  2. L'effet photoélectrique se produit-il ? Justifier.
  3. Calculer l'énergie cinétique maximale des électrons émis en Joules.
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Exercice 2

La fréquence seuil d'un métal est $\nu_s = 6,0 \cdot 10^{14} , \text{Hz}$.

  1. Calculer le travail d'extraction $W_s$ du métal en Joules.
  2. Si on éclaire ce métal avec une radiation de fréquence $\nu = 8,0 \cdot 10^{14} , \text{Hz}$, quelle sera la vitesse maximale des électrons émis ? (Donnée : $m_e = 9,1 \cdot 10^{-31} , \text{kg}$).
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Exercice 3

Un faisceau laser de puissance $P = 10 , \text{mW}$ et de longueur d'onde $\lambda = 500 , \text{nm}$ frappe une cible.

  1. Calculer l'énergie d'un seul photon.
  2. Calculer le nombre de photons émis par seconde par ce laser.
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