Physique Série N° :8 4ème Maths 2011/2012

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Exercice:1 Des ondes sinusoïdales sont créées à la surface de l’eau d’une cuve à onde. Parallèlement aux lignes de crête de ces ondes , on interpose un obstacle muni d’une ouverture dont les dimension est a= k. Un cliché de l’écran de la cuve à onde est

réalisé. 1°/a-Déterminer à partir du cliché, la valeur de K (échelle 1). b-Quel est le phénomène physique subi par les ondes à la surface de l’eau lorsqu’elles rencontrent l’obstacle muni de son ouverture ? c-Peut-on observer des minimums et des maximums d’amplitude des ondes à la surface de l’eau ? 2°/a-Relever les deux directions proches de l’axe de symétrie de la figure, sur lesquelles on peut éventuellement observer des minimums d’amplitude. b-Avec un rapporteur, mesurer l’angle aigu fait par ces deux directions . Cette mesure est notée 2.

c-Vérifier la relation =

a ; dans cette relation est

exprimé en radians, en mètres et a en mètres. Exercice:2 Une fente de largeur a est éclairée avec une lumière laser rouge de longueur d’onde dans le vide 1 = 632,8nm, puis par une lumière jaune, d’une lampe au mercure, de longueur d’onde 2 Inconnue. Sur un

écran situé à la distance L de la fente , on visualise successivement les figures de diffraction obtenues .En lumière rouge , la tache centrale a une longueur d1= 6 cm et une longueur d2= 5,4cm en lumière jaune .

1°/Donner la relation entre la longueur d’onde ,l a demi-largeur angulaire dont diverge le faisceau sortant de la fente et la largeur a de celle-ci.

2°/Déduire la longueur d’onde2 inconnue. Exercice:3 On envisage dans un modèle très simple que la voix humaine est un son sinusoïdal de fréquence N = 5kHz. Le son émis au niveau des cordes vocales sort par la bouche, que l’on modélise par une fente. 1°/Proposer un ordre de grandeur de la largeur de cette fente. 2°/Expliquer qualitativement qu’un professeur parlant devant sa classe puisse être entendu par tous les élèves, aussi bien ceux qui sont devant lui que ceux assis sur les côtés. Exercice:4

Un pinceau de lumière monochromatique de longueur d’onde = 0,525 µm, éclaire un cheveu vertical de diamètre d. Sur un écran (E) place a la distance D = 3 m du cheveu, on observe une figure de diffraction. 1°/Décrire brièvement la figure de diffraction formée sur l’écran (E). 2°/Etablir une relation entre , D, d et la largeur L de la tache centrale observée. On rappelle que pour un petit

angle en radian on peut assimiler tg à en radian. 3°/Sachant que L = 1,5 cm, calculer le diamètre d du cheveu. Exercice:5 Une lame (L) vibrant sinusoïdalement à la fréquence N = 40 Hz, produit à la surface libre d’une nappe d’eau, une onde rectiligne qui se propage à la célérité v1 = 0,8 m.s-1. Deux éléments en plexiglas placés en face de la lame (L) forment une fente (F) de petite largeur a, comme l’indique la figure ci-contre. 1°/Donner le nom du phénomène que subit l’onde rectiligne au niveau de la fente (F). 2°/Schématiser sur la figure 4 l’aspect de la surface de l’eau au-delà de la fente (F). 3°/Donner en cm, une valeur de la largeur a permettant d’observer cet aspect.

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Exercice:6 On éclaire une fente droite de largeur a réglable par un faisceau mince de lumière monochromatique rouge de longueur d’onde =0,63µm. En plaçant à la distance D=1m de la fente un écran E, on observe une figure de

diffraction pour une valeur de a convenable. 1°/Qu’appelle-t-on lumière monochromatique ? 2°/Pour a = 0,1mm, une figure de diffraction se forme su l’écran. a-Décrire brièvement la figure de diffraction observée sur l’écran E.

b-Etablir l’expression de la largeur L de la tache centrale observée, en fonction de , D et a. La

calculer. On assimile la tangente du demi-écart angulaire de la tache centrale à exprimé en rad

3°/Calculer la largeur L’ de la tache centrale, obtenue en éclairant la fente par un faisceau de lumière bleue, de longueur d’onde b = 0,46 µm

4°/En déduire, en le justifiant, s’il est plus facile ou plus difficile d’observer des taches de diffraction, avec une lumière rouge ou avec une lumière bleue. 5°/Pour a = 2 mm, le phénomène de diffraction avec la lumière rouge est- il net. Exercice:7 1°/Un élève est à côté d’un arbre dont le tronc a un diamètre d = 1m. Cet élève peut-il : a-Entendre une personne, située de l’autre côté de l’arbre, qui chante un« la » de fréquence N=440Hz ? b-Voir cette personne ? c-Utiliser son téléphone mobile si l’antenne émettrice se trouve de l’autre côté de l’arbre ? On donne : La célérité du son dans l’air est V=340m.s-1; la célérité de la lumière dans l’air est c = 3.108m.s-1 ; la fréquence de la lumière est assimilée à N=5.1014Hz ; le téléphone mobile reçoit des ondes électromagnétiques de fréquence N=900 MHz. 2°/Un village est caché derrière un relief, qui sera assimilé à un obstacle de dimension d = 500m. Les émetteurs de radio et de télévision sont de l’autre côté du relief. Les habitants peuvent-ils recevoir : a-Une station radio émettant en F.M (modulation de fréquence) une onde de fréquence N=96,8MHz b-La même radio émettant en G.O (grandes ondes) une onde de fréquence N=162kHz. c-Une station de télévision émettant une onde de fréquence N=650 MHz. Exercice:8 On réalise une expérience de diffraction à l’aide d’un laser émettant une lumière monochromatique de longueur d’onde . A quelques centimètres du laser, on place successivement des épingles verticales de diamètre a. La figure de diffraction obtenue est observée sur un écran blanc situé à la distance D = 1,6 m de l’épingle. Pour chacune des épingles, on mesure la largeur L de la tache centrale .

1°/Etablir en fonction de L et D, l’expression du demi-écart angulaire de la tache centrale. On assimile tg à en rad.

2°/Ecrire la relation liant , et a.

3°/La courbe de la figure ci-contre représente l’évolution de en

fonction de 1

a.

a-Montrer que cette courbe est en accord avec l’expression de donnée dans la réponse à la question 2.

b-En déduire la valeur de la longueur d’onde 4°/Si l'on envisageait de réaliser la même expérience en utilisant une lumière blanche, on observerait des tâches irisées. Justifier l’aspect « irisé » de la figure observée. Exercice:8 On éclaire une ouverture circulaire de diamètre a réglable par un faisceau de lumière monochromatique de

longueur d’onde . En plaçant à la distance D=4,5m de l’ouverture un écran E, on observe une figure de diffraction pour une valeur de a convenable. 1°/Décrire la figure de diffraction observée.

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2°/Les mesures du rayon r pour différentes valeur du diamètre a sont données dans le tableau ci-contre :

a-Tracer la courbe d’évolution du rayon r en fonction de 1

a.

b-Déduire graphiquement la relation r=f(1

a).

3°/Etablir la demi-largeur angulaire de la tâche centrale en fonction de D et r.

4°/Dans le cas d’une ouverture circulaire, =1,22 l

a.Déduire la longueur d’onde de la lumière utilisée.

Exercice:9 1°/Une lame (L) vibrant sinusoïdalement à la fréquence N = 40 Hz, produit à la surface libre d’une nappe d’eau, une onde rectiligne qui se propage à la célérité v1 = 0,8 m.s-1.Deux éléments en plexiglas placés en face de la lame (L) forment une fente (F) de petite largeur a, comme l’indique la figure 4. a-Donner le nom du phénomène que subit l’onde rectiligne au niveau de la fente (F). b-Schématiser sur la figure 4 l’aspect de la surface de l’eau au-delà de la fente (F). c-Donner en cm, une valeur de la largeur a permettant d’observer cet aspect. 2°/On enlève les éléments en plexiglas et on pose à plat, au fond de la nappe d’eau et du coté opposé à la lame (L), une plaque de verre qui permet de diminuer la profondeur de l’eau dans une zone notée (2). La nappe d’eau est ainsi partagée en une zone (1) où la célérité de l’onde est V1 et la zone (2) où cette célérité est v2.Lorsque la surface de séparation des zones (1) et (2) est parallèle à la lame (L), l’aspect de la surface de l’eau, observée en lumière stroboscopique de fréquence Ne réglable, est représenté sur la figure 5. a-Donner deux valeurs de la fréquence Ne permettant d’observer cet aspect de la surface de l’eau. b-Nommer le phénomène que subit l’onde incidente au niveau de la surface de séparation. c-La distance d indiquée sur la figure 5 est égale à 12 cm. En déduire graphiquement la valeur de la célérité V2. 3°/La plaque en verre est disposée maintenant dans la zone (2) de façon que

la surface de séparation est inclinée de l’angle = 45° par rapport aux

rides incidentes comme le montre la figure 6. a-Nommer le phénomène que subit l’onde incidente au niveau de la surface de séparation.

b-On désigne par i1 l’angle d’incidence. Montrer que i1 = c-Par application de la relation de Descartes, déterminer la valeur de l’angle de réfraction i2. d-Schématiser sur la figure 6, deux rides de l’onde réfractée.

a (mm) 0,49 0,62 0,82 1,2

r(mm) 7,5 6,0 4,5 3,0