Seconde · Physique-chimie

Lumière, spectres, réflexion et réfraction

Chapitre 15

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Ces 15 questions sur Lumière, spectres, réflexion et réfraction alternent observations, calculs et décisions expérimentales. Plusieurs propositions peuvent être exactes. Prévois du papier et un stylo.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Une ombre nette

Une petite source éclaire un obstacle opaque dans de l’air homogène. Une zone non éclairée apparaît sur un écran. Quel modèle permet d’en expliquer la limite ?

Tous les rayons lumineux contournent automatiquement l’obstacle pour remplir l’ombre. Un obstacle opaque arrête les rayons qui le rencontrent. On peut tracer des rayons rectilignes dans l’air homogène. La source, l’obstacle et l’écran doivent être localisés dans le schéma. On peut construire le bord de l’ombre avec les rayons tangents à l’obstacle.

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Réponse attendue : B, C, D, E

A — Faux. Non. Le modèle du rayon rectiligne ne prédit pas ce contournement dans cette situation ; il faut respecter l’obstacle.
B — Vrai. Oui. Les rayons interceptés n’atteignent pas l’écran, ce qui explique la région sombre. L’écran reçoit donc moins de lumière derrière l’obstacle que dans les zones non occultées.
C — Vrai. Oui. Le modèle de propagation rectiligne permet de construire les bords de l’ombre dans ce milieu.
D — Vrai. Oui. La géométrie de ces trois objets fixe où passent les rayons limites et où se forme l’ombre.
E — Vrai. Dans le modèle rectiligne, les rayons qui frôlent l’obstacle séparent la zone éclairée de l’ombre. Un rayon juste tangent arrive encore à la limite éclairée, tandis qu’un rayon voisin est intercepté.

Méthode à retenir. Tracer les rayons limites depuis la source jusqu’aux bords de l’obstacle, puis prolonger vers l’écran.

Question 2

Lumière venant de la Lune

On prend d = 3,84 × 10⁸ m entre la Terre et la Lune et c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹ dans le vide. Combien de temps la lumière met-elle environ pour parcourir cette distance ?

Il faut utiliser d en m si c est exprimée en m·s⁻¹. La lumière met 3,84 × 10⁸ s puisque cette valeur est la distance. La durée vaut environ 1,28 s. Le résultat est supérieur à une seconde et très inférieur à une minute. La durée vaut 1,28 m·s⁻¹.

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Réponse attendue : A, C, D

A — Vrai. Oui. Les unités de longueur doivent correspondre pour se simplifier dans le quotient d/c. Le quotient d/c aura alors l’unité seconde, celle demandée pour un temps de parcours.
B — Faux. Non. 3,84 × 10⁸ porte l’unité m ici ; il faut diviser par la célérité avant de conclure en secondes.
C — Vrai. Oui. Δt = d/c = 3,84 × 10⁸ m / (3,00 × 10⁸ m·s⁻¹) = 1,28 s.
D — Vrai. Oui. La valeur calculée 1,28 s satisfait ce contrôle simple d’ordre de grandeur. La lumière met environ 1,28 s pour cette distance : quelques heures ou microsecondes seraient incohérentes.
E — Faux. Non. Diviser une distance par une vitesse donne une durée en s, pas une autre vitesse.

Méthode à retenir. Pour une propagation, calculer Δt = d/v ; annuler les mètres entre distance et célérité afin d’obtenir des secondes.

Question 3

Lampe à incandescence

Le spectre d’une lampe à filament chaude apparaît comme une bande colorée continue, sans séparation en seules raies isolées. Comment le caractériser ?

Une bande continue signifie que le filament est un gaz rare à basse pression. Le terme « continu » porte sur la répartition des longueurs d’onde observées. Le spectre est composé d’une seule longueur d’onde. Changer la température du filament peut modifier l’allure du spectre. Il s’agit d’un spectre d’émission continu d’origine thermique.

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Réponse attendue : B, D, E

A — Faux. Non. Les gaz excités à basse pression donnent souvent des spectres de raies, pas le continuum décrit.
B — Vrai. Oui. La lumière émise couvre un intervalle, au lieu d’être limitée à quelques positions de raies.
C — Faux. Non. Une bande continue comporte un ensemble de longueurs d’onde ; elle n’est pas monochromatique. Une seule longueur d’onde isolée donnerait une raie, non une bande étendue.
D — Vrai. Oui. L’émission thermique dépend de la température du corps chaud. Le maximum et la répartition des longueurs d’onde se déplacent quand le filament se réchauffe.
E — Vrai. Oui. Un corps dense chaud, tel un filament, émet un ensemble continu de longueurs d’onde visibles dans ce modèle.

Méthode à retenir. Associer bande continue à une émission thermique d’un corps dense chaud ; distinguer de raies séparées d’un gaz excité.

Question 4

Gaz inconnu et raies

Le gaz d’un tube produit trois raies aux longueurs d’onde 434 nm, 486 nm et 656 nm. Un témoin d’hydrogène mesuré avec le même appareil présente ces trois raies. Quelles conclusions sont prudentes ?

Il faut comparer les spectres relevés dans des conditions instrumentales comparables. La concordance est un indice de présence d’hydrogène. Chaque raie prouve que le gaz ne contient aucun autre élément. La raie 656 nm est forcément une durée de 656 secondes. Le spectre décrit des longueurs d’onde discrètes, pas une bande thermique continue.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Oui. La correspondance de raies doit être contrôlée avec une même calibration des longueurs d’onde. Des réglages différents pourraient décaler artificiellement les positions observées sans changer le gaz.
B — Vrai. Oui. Des raies à des longueurs d’onde communes, dans les mêmes conditions de mesure, sont une signature spectrale utile.
C — Faux. Non. Le spectre peut être un mélange de signatures, et trois concordances ne démontrent pas l’absence de tout autre gaz.
D — Faux. Non. Le nanomètre est une unité de longueur : 656 nm est une longueur d’onde, non une durée.
E — Vrai. Oui. L’énoncé fournit trois positions séparées de raies d’émission avec des intervalles sans raie entre elles ; il ne décrit pas un continuum coloré.

Méthode à retenir. Comparer les positions des raies aux témoins ; employer « indice d’identité » sans inférer une pureté absolue.

Question 5

Un laser vert

Un laser émet essentiellement un rayonnement de longueur d’onde dans le vide λ = 532 nm. Que signifie l’information fournie ?

Le rayonnement peut être qualifié de quasi monochromatique. 532 nm est la célérité de cette lumière. Cette information prouve que tous les rayons visibles ont la même longueur d’onde. 532 nm correspond à 5,32 × 10⁻⁷ m. La longueur d’onde donnée caractérise la couleur de cette émission visible.

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Réponse attendue : A, D, E

A — Vrai. Oui. Une émission centrée sur une longueur d’onde étroite s’approche du modèle d’une lumière monochromatique. Le mot quasi rappelle qu’une source réelle n’émet pas forcément une longueur d’onde absolument unique.
B — Faux. Non. Le nanomètre mesure une longueur d’onde ; une célérité s’exprimerait en m·s⁻¹. La longueur 532 nm doit être convertie en mètres ; elle ne donne pas directement une vitesse.
C — Faux. Non. Le laser est un cas particulier ; une lumière blanche contient un ensemble de longueurs d’onde visibles.
D — Vrai. Oui. 1 nm = 10⁻⁹ m ; 532 × 10⁻⁹ m = 5,32 × 10⁻⁷ m.
E — Vrai. Oui. Une longueur d’onde visible donnée permet d’associer approximativement une perception de couleur sous les conditions usuelles.

Méthode à retenir. Identifier la grandeur λ et son unité, puis distinguer rayonnement proche du monochromatique et lumière blanche.

Question 6

Réflexion sur un miroir plan

Un rayon arrive sur un miroir plan avec un angle d’incidence i = 35° mesuré entre le rayon et la normale au miroir. Quelle direction du rayon réfléchi est compatible avec la loi ?

L’angle réfléchi vaut 55° par rapport à la normale. Les deux rayons et la normale sont dans un même plan dans le modèle. Le rayon réfléchi traverse le miroir comme s’il était réfracté. Il faut tracer la normale avant de mesurer les angles. L’angle réfléchi vaut 35° par rapport à la normale.

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Réponse attendue : B, D, E

A — Faux. Non. 55° est l’angle complémentaire entre le rayon et la surface ; la loi donne 35° avec la normale.
B — Vrai. Oui. Le plan d’incidence contient le rayon incident, la normale et le rayon réfléchi. Cette géométrie complète la simple égalité numérique entre angle incident et angle réfléchi.
C — Faux. Non. Une réflexion renvoie le rayon dans le milieu d’origine ; la traversée d’interface relève de la réfraction.
D — Vrai. Oui. Mesurer par rapport à la surface au lieu de la normale conduit au piège 55° au lieu de 35°.
E — Vrai. Oui. La loi de réflexion impose i = r, les deux angles étant pris avec la normale au point d’incidence.

Méthode à retenir. Pour la réflexion, placer la normale et mesurer i et r de part et d’autre de cette droite : i = r.

Question 7

Trajet vers le verre

Un rayon passe de l’air (n₁ = 1,00) à un verre (n₂ = 1,50), avec i₁ = 30° par rapport à la normale. Que prévoit n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂ ?

sin i₂ vaut environ 0,333. L’angle réfracté vaut environ 19,5°. Les indices n₁ et n₂ sont sans dimension. Le rayon s’écarte de la normale en entrant dans le verre. Il suffit de poser i₂ = 1,50 × 30° pour appliquer la loi.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Oui. sin i₂ = (n₁/n₂) sin i₁ = (1,00/1,50) × sin 30° = (2/3) × 0,5 ≈ 0,333.
B — Vrai. Oui. i₂ = arcsin(0,333) ≈ 19,5°, valeur plus petite que l’angle d’incidence de 30°. Le rayon se rapproche de la normale en entrant dans le milieu d’indice plus élevé.
C — Vrai. Oui. L’indice est un rapport de célérités et ne porte pas d’unité ; les sinus des angles sont également sans dimension.
D — Faux. Non. n₂ > n₁ : le rayon se rapproche de la normale pour ce passage, conformément à i₂ ≈ 19,5° < 30°.
E — Faux. Non. La loi relie les sinus des angles, pas les angles multipliés directement par l’indice. Le calcul correct commence par sin i₂ = (1,00/1,50) sin 30°.

Méthode à retenir. Tracer la normale ; calculer d’abord sin i₂ = (n₁/n₂) sin i₁, puis seulement l’angle i₂.

Question 8

Sortir de l’eau

Un rayon passe de l’eau (n₁ = 1,33) à l’air (n₂ = 1,00) avec i₁ = 30°. On applique la loi de réfraction dans ce cas où un rayon transmis existe. Quelles valeurs sont cohérentes ?

sin i₂ vaut environ 0,665. La valeur 0,665 du sinus est possible puisqu’elle est inférieure à 1. La loi se résume à n₁ i₁ = n₂ i₂ pour tous les angles. i₂ est proche de 41,7°. Le rayon doit se rapprocher de la normale parce qu’il entre dans l’air.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Oui. sin i₂ = (1,33/1,00) × sin 30° = 1,33 × 0,5 = 0,665. Le rapport des indices multiplie le sinus incident, et non l’angle lui-même.
B — Vrai. Oui. On peut lui associer un angle réel de réfraction ; cette vérification précède l’usage de arcsin.
C — Faux. Non. Elle porte sur les sinus : n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂ ; remplacer sin i par i n’est pas la relation étudiée.
D — Vrai. Oui. arcsin(0,665) ≈ 41,7°, plus grand que 30° ; le rayon s’écarte de la normale.
E — Faux. Non. Il quitte un milieu d’indice plus grand pour un indice plus petit : l’angle transmis augmente dans ce cas.

Méthode à retenir. Au passage vers un indice plus faible, calculer le sinus transmis et vérifier qu’il est au plus égal à 1 avant de conclure.

Question 9

Arriver suivant la normale

Un rayon atteint perpendiculairement la surface d’un verre, depuis l’air. Les indices diffèrent. Comment lire l’angle et la direction transmis ?

Il faut mesurer 90° par rapport à la normale. Le rayon est nécessairement dévié parce que les indices diffèrent. Un changement de célérité peut accompagner cette traversée. La loi donne un angle de réfraction de 0°. L’angle d’incidence vaut 0°.

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Réponse attendue : C, D, E

A — Faux. Non. Un rayon qui suit la normale fait 0° avec elle ; 90° serait l’angle avec la surface.
B — Faux. Non. Même si sa célérité change, le trajet transmis reste aligné sur la normale à incidence normale.
C — Vrai. Oui. La direction peut rester identique alors que la vitesse de propagation diffère entre air et verre.
D — Vrai. Oui. n₁ sin 0° = 0 impose sin i₂ = 0 pour le rayon transmis, d’où i₂ = 0° dans les angles considérés.
E — Vrai. Oui. La normale est précisément la droite perpendiculaire à la surface ; le rayon incident la suit.

Méthode à retenir. Définir les angles à partir de la normale ; à incidence 0°, la direction transmise n’est pas déviée.

Question 10

Un prisme et la lumière blanche

Un faisceau blanc traverse un prisme et sort étalé en couleurs. Quelle interprétation de la dispersion est correcte ?

Le prisme crée nécessairement de nouveaux éléments chimiques colorés. La géométrie du prisme et les interfaces interviennent dans les directions des rayons. La lumière blanche contient plusieurs composantes visibles. Une lumière monochromatique se décompose de la même manière en toutes les couleurs visibles. Le verre peut réfracter différemment ces composantes selon leur longueur d’onde.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Non. La dispersion est un phénomène optique ; elle ne suppose pas de transformation chimique du verre ou de la lumière.
B — Vrai. Oui. Chaque traversée de frontière entre milieux peut réfracter le rayon ; l’ensemble explique l’étalement final.
C — Vrai. Oui. L’étalement met en évidence différentes longueurs d’onde présentes dans le faisceau initial. Le prisme sépare ces composantes parce que leurs indices de réfraction dans le verre diffèrent.
D — Faux. Non. Une composante monochromatique a une longueur d’onde définie et ne contient pas toutes les couleurs à séparer.
E — Vrai. Oui. La dépendance de l’indice à la longueur d’onde sépare les directions émergentes dans le prisme.

Méthode à retenir. Relier la séparation à la présence de plusieurs longueurs d’onde et à leur réfraction différente dans un dispositif dispersif.

Question 11

Célérité et indice

Dans un milieu transparent, la célérité lumineuse mesurée est v = 2,00 × 10⁸ m·s⁻¹. Dans le vide, c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹. Que vaut l’indice n = c/v ?

L’indice vaut 0,667 m·s⁻¹. L’indice vaut 1,50. L’indice est sans dimension. La lumière est plus lente ici que dans le vide. L’indice 1,50 signifie que le milieu est 1,50 fois plus rapide que le vide.

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Réponse attendue : B, C, D

A — Faux. Non. 2,00/3,00 inverse le quotient demandé ; un indice ne porte de plus aucune unité. Le quotient correct c/v vaut 1,50 ; les deux vitesses s’expriment dans la même unité.
B — Vrai. Oui. n = c/v = (3,00 × 10⁸ m·s⁻¹)/(2,00 × 10⁸ m·s⁻¹) = 1,50.
C — Vrai. Oui. C’est le quotient de deux célérités dans la même unité m·s⁻¹, qui se simplifie.
D — Vrai. Oui. 2,00 × 10⁸ m·s⁻¹ est inférieur à 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹.
E — Faux. Non. Avec n = c/v = 1,50, la célérité dans ce milieu vaut c/1,50, donc elle est plus faible.

Méthode à retenir. Calculer n = c/v à unités identiques, puis interpréter n > 1 comme une célérité plus faible que dans le vide.

Question 12

Une série de mesures d’angles

De l’air vers un bloc transparent, deux mesures donnent (i₁ = 30° ; i₂ = 20°) et (i₁ = 45° ; i₂ = 28°). On admet n_air = 1,00. Comment tester une valeur d’indice proche de 1,5 ?

Deux couples d’angles garantissent un indice exact, sans aucune incertitude de mesure. Le second couple est incompatible avec un indice voisin de 1,5. Les angles doivent être lus par rapport à la surface pour appliquer cette forme de la loi. Le premier couple conduit à sin 30°/sin 20° ≈ 1,46. On doit diviser directement 30 par 20 pour obtenir l’indice exact dans tous les cas.

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Réponse attendue : D

A — Faux. Multiplier les mesures permet de vérifier la cohérence, mais chaque lecture d’angle garde une incertitude. Un écart entre estimations peut provenir de la lecture angulaire ou des limites du montage.
B — Faux. Pour ce couple, sin 45°/sin 28° vaut environ 1,51 : il est compatible avec 1,5. Les deux couples fournissent donc des estimations proches malgré de légères différences de mesure.
C — Faux. Non. Les angles i₁ et i₂ de Snell-Descartes se mesurent par rapport à la normale à l’interface.
D — Vrai. Oui. Par n_air sin i₁ = n_bloc sin i₂, n_bloc = sin 30°/sin 20° ≈ 0,500/0,342 ≈ 1,46.
E — Faux. Non. La loi utilise les sinus des angles ; le quotient 30/20 = 1,5 est ici une coïncidence numérique approximative.

Méthode à retenir. Pour chaque mesure, calculer sin i₁/sin i₂, puis comparer les estimations obtenues pour le même milieu.

Question 13

Schéma air-verre

La figure présente un rayon passant de l’air vers le verre. Les angles marqués sont environ 40° dans l’air et 25° dans le verre, tous deux mesurés avec la normale. Quelles lectures sont exactes ?

Surface horizontale air-verre et normale verticale ; rayon incident dans l’air avec angle 40 degrés à la normale, rayon réfracté dans le verre avec angle 25 degrés. — Les angles d’incidence et de réfraction sont mesurés à partir de la normale.

L’angle d’incidence sur la figure est celui du côté air. Les flèches de la figure ne donnent aucune information sur le sens de propagation. Le rayon réfléchi est celui dessiné dans le verre. Le rayon réfracté est plus proche de la normale. Les valeurs 40° et 25° sont mesurées avec la surface horizontale.

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Réponse attendue : A, D

A — Vrai. Oui. Le rayon incident arrive depuis la zone air avant de rencontrer l’interface ; son angle avec la normale vaut environ 40°.
B — Faux. Les flèches indiquent bien le sens suivi par la lumière et permettent de distinguer incident et réfracté.
C — Faux. Non. Une réflexion reste dans le milieu initial, ici l’air ; le rayon traversant dans le verre est réfracté.
D — Vrai. Oui. L’angle passe de 40° à 25° ; la direction transmise se rapproche donc de la normale en entrant dans le verre.
E — Faux. Non. Le schéma et l’énoncé définissent ces angles par rapport à la normale verticale, conformément à la loi.

Méthode à retenir. Sur le schéma, repérer interface, normale et flèches avant de comparer les angles de part et d’autre.

Question 14

Réflexion et réfraction ensemble

Un faisceau lumineux rencontre la surface entre air et eau. Une partie est renvoyée dans l’air, une partie traverse dans l’eau. Quelles descriptions séparent les deux phénomènes ?

Le rayon renvoyé dans l’air est réfléchi. Le rayon renvoyé dans l’air et le rayon transmis dans l’eau suivent deux trajets distincts. Le rayon réfléchi obéit à une égalité des angles avec la normale. Le rayon réfracté revient toujours dans l’air sans franchir l’interface. Le rayon qui entre dans l’eau est réfracté.

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Réponse attendue : A, B, C, E

A — Vrai. Oui. Il reste dans le milieu initial après rencontre de l’interface. La réflexion ne franchit pas l’interface ; c’est le critère distinctif par rapport à la réfraction.
B — Vrai. La réflexion reste du côté air, tandis que la réfraction traverse l’interface vers l’eau.
C — Vrai. Oui. Dans le modèle de réflexion, l’angle réfléchi est égal à l’angle d’incidence. Les deux angles se mesurent du même côté de l’interface et depuis la normale.
D — Faux. Non. Dans le phénomène décrit, il passe précisément de l’air à l’eau. La trajectoire transmise traverse au contraire la séparation des milieux avant de poursuivre dans l’eau.
E — Vrai. Oui. Il franchit l’interface vers un second milieu et peut changer de direction. La réfraction peut changer sa direction selon les indices et l’angle d’arrivée.

Méthode à retenir. Classer chaque rayon selon son milieu après l’interface : même milieu pour réflexion, autre milieu pour réfraction.

Question 15

Une tache blanche et des raies

Deux spectres sont projetés : S₁ montre une bande continue, S₂ trois raies colorées isolées. Quels diagnostics sont compatibles avec ces observations seules ?

S₂ est un spectre de raies. La température d’un corps chaud n’influence jamais son spectre continu thermique. S₁ ne contient qu’une longueur d’onde puisqu’il est blanc sur l’écran. S₂ démontre à lui seul que la source est un corps solide dense chauffé. S₁ est un spectre continu.

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Réponse attendue : A, E

A — Vrai. Oui. Les trois positions isolées correspondent à des composantes distinctes, avec des intervalles sombres entre elles.
B — Faux. Le spectre continu thermique change avec la température de la source ; elle peut modifier la répartition des couleurs.
C — Faux. Non. Le caractère continu implique un ensemble de longueurs d’onde, même si l’écran ou la perception rassemble les couleurs.
D — Faux. Non. Un gaz excité à basse pression peut produire des raies ; l’aspect seul ne justifie pas cette attribution au solide.
E — Vrai. Oui. L’émission occupe une bande de longueurs d’onde sans se réduire à quelques positions discrètes. Le mot continu porte sur l’ensemble des longueurs d’onde présentes dans la bande.

Méthode à retenir. Décrire d’abord la forme observée du spectre, puis proposer une origine seulement si le contexte la justifie.

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