Ondes et optique : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 4 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Ressorts et pendules

Masse sur un ressort
T = 2π·√(m/k)
Pendule
T = 2π·√(L/g)
Pulsation
ω = √(k/m) = 2π/T
Vitesse et accélération maximales
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Énergie
E = ½·k·A²

Ondes, son et optique

Vitesse de l’onde
v = fλ, T = 1/f
Corde
v = √(T/μ), μ = m/L
Niveau sonore
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Source ponctuelle
I = P/(4πr²)
Ondes stationnaires
corde ou tuyau ouvert fn = n·v/(2L) ; tuyau fermé fn = n·v/(4L), n impair
Effet Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Indice de réfraction
n = c/v, λ = λ0/n
Loi de Snell-Descartes
n1sin θ1 = n2sin θ2
Angle critique
sin θc = n2/n1
Fibre optique
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lentilles et miroirs
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Doubles fentes
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Réseau
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Fente simple
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Méthode

  1. Identifiez le type de problème : vitesse d’une onde, niveau sonore, onde stationnaire, Doppler, réfraction, lentille ou miroir, ou interférences.
  2. Écrivez d’abord la relation : v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) ou n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Convertissez les unités : nm, mm et cm en m, et vérifiez si les angles sont mesurés par rapport à la normale.
  4. Vérifiez les signes et la vraisemblance : une image virtuelle a dᵢ < 0, une source qui s’approche paraît plus aiguë, un tuyau fermé n’a que des harmoniques impairs.

2Exercices

1.Ressorts et pendulesMoyen
L = 1,4 m

Un pendule simple a une longueur de 1,4 m. Prenez g = 9,81 m/s². Trouvez sa période T pour de petites oscillations.

L = 1,4 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Ressorts et pendulesDifficile
2,1 kgk = 360 N/mA = 14 cm

Une masse de 2,1 kg fixée à un ressort de raideur k = 360 N/m est écartée de 14 cm de sa position d’équilibre puis lâchée. Trouvez l’énergie totale E de l’oscillation.

m = 2,1 kgk = 360 N/mA = 14 cm
E = J
3.Ondes, son et optiqueMoyen
L = ?n = 3

Une corde fixée aux deux extrémités doit avoir son harmonique de rang 3 à 225 Hz ; les ondes s’y propagent à 120 m/s. Trouvez sa longueur L.

v = 120 m/sn = 3f3 = 225 Hz
L = m
4.Ondes, son et optiqueDifficile
Fdo​ = 25 cmR = 20 cm

Un objet se trouve à 25 cm devant un miroir concave de rayon de courbure 20 cm. Trouvez la distance de l’image di, positive pour une image devant le miroir (réelle) et négative pour une image derrière lui (virtuelle).

do = 25 cmR = 20 cm
di = cm

3Solutions

1.Ressorts et pendules

Réponse: T = 2,374 s

Mouvement harmonique simple : une masse m sur un ressort de raideur k oscille avec la pulsation ω = √(k/m) et la période T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un pendule simple de longueur L a pour période T = 2π·√(L/g). Avec une amplitude A, la vitesse maximale vaut A·ω, l’accélération maximale A·ω² et l’énergie ½·k·A².

Période du pendule

T = 2π·√(1,4/9,81) = 2,374 s

Réponse

T = 2,374 s
2.Ressorts et pendules

Réponse: E = 3,528 J

Mouvement harmonique simple : une masse m sur un ressort de raideur k oscille avec la pulsation ω = √(k/m) et la période T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Un pendule simple de longueur L a pour période T = 2π·√(L/g). Avec une amplitude A, la vitesse maximale vaut A·ω, l’accélération maximale A·ω² et l’énergie ½·k·A².

Pulsation

ω = √(360/2,1) = 13,09 rad/s

Énergie

E = ½·k·A² = ½·360·0,14² = 3,528 J

Réponse

E = 3,528 J
3.Ondes, son et optique

Réponse: L = 0,8 m

Ondes stationnaires et effet Doppler : une corde fixée aux deux extrémités, ou un tuyau ouvert aux deux extrémités, contient un nombre entier de demi-longueurs d’onde : L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Un tuyau fermé à une extrémité a un nœud à l’extrémité fermée et un ventre à l’extrémité ouverte : L = nλ/4 avec n impair seulement, fn = n·v/(4L). Quand la source ou l’observateur se déplace sur la ligne qui les joint, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs) : utilisez les signes supérieurs pour un mouvement de rapprochement. Deux ondes de fréquences presque égales battent à |f₁ − f₂|.

Longueur d’onde

λ = v/f = 120/225 = 0,5333 m

Longueur

L = nλ/2 = 3·0,5333/2 = 0,8 m

Réponse

L = 0,8 m
4.Ondes, son et optique

Réponse: di = 16,67 cm

Optique géométrique : à une interface, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (loi de Snell-Descartes), avec les angles mesurés par rapport à la normale et n = c/v. En entrant dans un milieu plus lent, le rayon se rapproche de la normale. Depuis un milieu plus dense (n₁ > n₂), au-delà de l’angle critique θc = arcsin(n₂/n₁), toute la lumière est réfléchie : réflexion totale interne. Les lentilles minces et les miroirs sphériques obéissent à 1/f = 1/do + 1/di avec le grandissement m = −di/do. Convention de signes : f > 0 pour une lentille convergente et un miroir concave (f = R/2), f < 0 pour une lentille divergente et un miroir convexe ; di > 0 pour une image réelle, di < 0 pour une image virtuelle, et m < 0 pour une image renversée.

Distance focale

f = R/2 = 10 cm

Équation du miroir

1/di = 1/f − 1/do = 1/10 − 1/25
di = 16,67 cm
F25 cmf = 10 cm

Schéma de rayons

image réelle devant le miroir

Réponse

di = 16,67 cm

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