Td corrigé Préparation au CAPES de Physique Chimie pdf

Préparation au CAPES de Physique Chimie Année 2004 / 2005 Centre de Nice

Sujet d’épreuve sur Dossier.

Diffraction et dispersion des ondes lumineuses.

Classe concernée : Terminale S.

Documents : Exercice extrait d’un devoir de terminale S :

La lumière : diffraction, dispersion, dualité onde/corpuscule.

Travail à effectuer :

Le candidat développera dans l’ordre qui lui convient , et en leur accordant une importance comparable les deux sujets suivants :

A ) En relation avec les contenus scientifiques des documents.

1) Diffraction des ondes lumineuses.

2) Dispersion de la lumière.

B ) Analyse d’une situation d’enseignement.

1)

Situer l’exercice proposé dans la progression de la classe de terminale S.

2) Proposer une correction de cet exercice.

Adapter un barème et une durée pour cet exercice.

3) Quelles modifications éventuelles apporteriez-vous à l’énoncé ?

Pour quelles raisons ?

I ) Diffraction de la lumière :

Une fente de largeur

a

est éclairée avec une lumière monochromatique issue d’un laser

(  = 633 nm).

Sur un écran situé à une distance

D = 3,0 m

de la fente, on visualise la figure de diffraction.

1) Dessiner le schéma du montage en indiquant les grandeurs utiles D, a et  . 2) Décrire et dessiner la figure de diffraction. On indiquera la largeur L de la tache centrale.

3) Etablir la relation entre tan , L et D puis entre  , a et .

En identifiant tan  à  , démontrer la relation entre a, D,  et L.

4) Calculer la largeur de la fente pour L = 12,0 cm.

5) Si on remplace le laser par une lampe à vapeur de sodium, on mesure la largeur de la tâche centrale

L’ = 11,2 cm.

Calculer la valeur  (sodium). De quelle couleur est cette lumière ?

6) Calculer la largeur de la tâche centrale si on travaille avec le laser

(  = 633 nm) à une distance

D’ =5,5 m ,

pour un fil de largeur a’ = 50 µm.

II) Indices d’un verre - Dispersion :

La formule donnant l’indice d’un verre pour la radiation monochromatique  est donnée par la relation de Cauchy :

n = A + A et B sont des constantes.

1) Pour la radiation 1

= 768 nm

, on a

n

1

= 1,618

et pour 2

= 434 nm

, on a

n

2

= 1,652.

Calculer A et B.

2) Le laser He-Ne utilisé au lycée émet une onde lumineuse monochromatique rouge de fréquence

 = 4,74.10¹⁴ Hz et de longueur d’onde vide = 632,8 nm dans le vide.

Calculer la longueur d’onde de cette radiation dans un verre de type flint d'indice 1,612.

Quelle est la couleur de cette radiation dans ce verre flint ?

III ) Les photons : Dualité onde - corpuscule.

h = 6,626. 10

^-34

J.s 1 eV = 1,6.10

^-19

J c = 3,0.10

⁸

m.s

^-1

Lorsqu’un noyau de fluor 18 ( Z= 9 , A = 18 ) subit une désintégration de type

+ , on obtient un positron. On donne l’extrait de la classification périodique des éléments : C , N, O ,F ,Ne ,Na ,Mg , ….

Ce positron peut alors être utilisé pour rencontrer un électron et former un couple de 2 photons.

L’énergie de ces photons est E = 255 keV ( pour chaque photon ) .

Diffraction et dispersion des ondes lumineuses.

1 ) Ecrire l’équation de désintégration du fluor 18.

2 ) Ecrire l’équation de création des photons.

3 ) Calculer la longueur d’onde de ces photons.

4 ) Calculer la période et la fréquence de ces photons.

5 ) Ces photons peuvent être focalisés grâce à une lentille gamma et on peut observer le phéomène de diffraction. Faire un schéma représentant ce

phénomène. Que peut-on en conclure sur la nature des photons ?

6 ) Les photons sont parfois corpuscule ( particule ) . Quelle est la masse d’un photon ?

7 ) Quelle est la couleur d’un photon d’énergie E = 2,485 eV ?