QCM optique, lentille, miroir, ondes, physique quantique ( Kiné St Michel 2009)

Lentille convergente (loupe). Un objet réel AB est placé à une distance oA = 5 cm d'une lentille convergente de distance focale 10 cm. On appelle A'B' l'image de AB donne par cette lentille. Analyse : A- l'image est réelle et renversée. Faux. B- pour voir l'image on peut placer l'oeil nimporte où, de l'autre côté de la lentille. Faux. Il faudrait préciser, au voisinage de l'axe optique, afin de regarder à travers la lentille qui a un petit diamètre ; on peut placer l'oeil à une distance quelconque de la lentille. C- l'image devient plus grande quand on déplace l'objet AB vers le foyer principal objet. Vrai. D- ce montage modélise une loupe. Vrai. E- la vergence de la lentille est négative. Faux. La lentille est convergente : sa vergence est positive. Miroir plan. Analyse : A- l'image d'un objet dans un miroir plan est renversée. Faux. Image et objet sont symétriques par rapport au plan du miroir. B- l'image d'un objet donnée par un miroir plan ne peut être observée que si l'objet se trouve en face du miroir. Faux. Tout dépend des dimensions du miroir, de la position de l'objet, de la position de l'observateur. L'objet n'est pas en face du miroir ; l'observateur B ne voit pas l'image ; l'observateur C voit l'image. C- l'image de la main droite d'une personne dans un miroir plan est une main gauche. Vrai. D- Un observateur se regardant dans un miroir plan situé à 50 cm de lui voit son image à 1 m de lui. Vrai. L'image est 50 cm derrière le miroir, donc à 1 m de l'observateur. E- le rayon incident et le rayon réfléchi par un miroir plan n'ont jamais la même direction. Faux. Si le rayon incident est perpendiculaire au miroir, le rayon réfléchi est confondu avec le rayon incident. Diffraction. On utilise un laser produisant une lumière de longueur d'onde l placé devant une fente de largeur a. On observe une figure de diffraction constituée de taches lumineuses sur un écran E placé à une distance D de la fente. La largeur de la tache centrale L sur l'écran est égale à : A B ( vrai) C D E k l D/a2 k l D/a k a D/l k l D2/a2 k al D Analyse : tan q = ½L/D voisin de q radian pour les angles petits. d'autre part q = l/a. avec : l longueur d'onde (m) et a : diamètre du fil (m) en tenant compte des deux relations ci-dessus : ½L/D=l/a soit a=2lD/L ou L = 2l D/a. Ondes sonores La célérité du son dans l'air est : v = (kT/M)½ où T est la température absolue en kelvin et M la masse molaire du gaz ; k étant une constante.  Analyse : A- la célérité du son augmente quand la température augmente. Vrai. B- la célérité du son varie avec la fréquence. Faux. C- La célérité du son dans l'air est de l'ordre de 100 km/s. Faux. 340 m/s. D- l'air est un milieu non dispersif pour les ondes sonores. Vrai. Perturbation mécanique. Analyse : A- une perturbation mécanique se propage dans le vide. Faux. Les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide. B- la célérité d'une perturbation mécanique ne dépend pas du milieu. Faux. La célérité d'une onde sonore est de l'ordre de 340 m/s dans l'air, 1500 m/s dans l'eau, 5000 m/s dans l'acier. C- lors de sa propagation, une perturbation mécanique transporte de l'énergie. Vrai. D- dans un milieu homogène, la célérité d'une perturbation mécanique ne dépend pas de la direction de propagation. Vrai. E- dans un même milieu, des perturbations mécaniques de nature différente ont la même célérité. Faux propagation du son ( variation de pression) dans l'eau c~ 1500 m/s. propagation des vagues sur l'océan : célérité de quelques mètres par seconde.   Micro-ondes. Pour chauffer les aliments dans un four à micro-ondes, on excite, par absorption les molécules d'eau qu'ils contiennent. l'émetteur utlisé appelé " klystron" est un oscillateur qui émet des ondes électromagnétiques dont l'énergie est de 4,0 10-5 eV. h = 6,6 10-34 Js ; 1 eV = 1,6 10-19 J. Analyse : A- le phénomène mis en jeu est un phénomène de résonance. Vrai. Absorption d'un photon par une molécule. B- la fréquence propre du " klystron" est de l'ordre de 1010 Hz. Vrai. E = h n avec E = 4,0 10-5 * 1,6 10-19 = 6,4 10-24 J n =E/h = 6,4 10-24 / 6,6 10-34 ~ 1010 Hz. C- le "klystron" émet dans l'infrarouge. Faux. Micro-ondes : (1 GHz) à 1 millimètre (300 GHz) ; mais les limites entre l'infrarouge lointain, les micro-ondes sont assez arbitraires. D- les transitions mises en jeu sont des transitions moléculaires. Faux. Transitions vibrationnelles et rotationnelles des molécules. énergie de l'atome d'hydrogène L'énergie de l'atome d'hydrogène est quantifiée et ne peut prendre que les valeurs suivantes : En = E0/n2 avec E0 = -13,6 eV et n entier positif non nul. Analyse : A-les longueurs d'onde de la série de Paschen ( désexcitations vers l'état d'énergie E3 ) sont supérieures à 820 nm. Vrai. E3 = -13,6 / 9 eV = -13,6 *1,6 10-19 / 9 ~ 2,4 10-19 J. La plus grande variation d'énergie possible est DE = 2,4 10-19 J La plus petite longueur d'onde est : l = hc/DE = 6,6 10-34*3 108 /2,4 10-19 ~8,2 10-7 m ~820 nm. B- les raies de la série de Balmer ( désexcitations vers l'état d'énergie E2 ) appartiennent au domaine visible. Faux. E2 = -13,6 / 4 eV = -13,6 *1,6 10-19 / 4 ~ 5,4 10-19 J. La plus grande variation d'énergie possible est DE = 5,4 10-19 J La plus petite longueur d'onde est : l = hc/DE = 6,6 10-34*3 108 /5,4 10-19 ~3,6 10-7 m ~360 nm. La limite des domaines visible et UV est 400 nm : donc domaines visible et UV. C-un atome d'hydrogène dans son état correspondant au niveau n=3 reçoit un photon d'énergie 0,5 eV. Ce photon est absorbé. Faux. E3 = -13,6 / 9 ~ -1,5 eV ; E4 = -13,6 / 16 ~ -0,85 eV ; E4 -E3 =0,65 eV Un photon peut être absorbé si son énergie correspond à la différence d'énergie entre deux niveaux de l'atome. D-un atome d'hydrogène dans son état correspondant au niveau n=3 reçoit un photon d'énergie 2 eV. L'électron de l'atome est arraché et son énergie cinétique est de 0,5 eV. Vrai.

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