1213_TS_sujet_compo1.doc

Composition n°1 de Physique & Chimie
TS1, TS2, TS3 ,TS4
Durée : 3h30

Le sujet comporte 11 pages et se compose de trois exercices et d'une
synthèse.
Un soin particulier sera accordé à la rédaction et au vocabulaire utilisé.
Aucun document n'est autorisé.
La calculatrice est autorisée.




EXERCICE 1 : la lumière et les ondes (20 pts - durée indicative : 1 h 10
mn)

Document 1 : l'évolution de quelques idées à propos de la nature de la
lumière.

Huyghens (1629-1695) donne à la lumière un caractère ondulatoire par
analogie à la propagation des ondes à la surface de l'eau et à la
propagation du son.

Pour Huyghens, le caractère ondulatoire de la lumière est fondé sur les
faits suivants:
- « le son ne se propage pas dans une enceinte vide d'air tandis que la
lumière se propage dans cette même enceinte. La lumière consiste dans un
mouvement de la matière qui se trouve entre nous et le corps lumineux,
matière qu'il nomme éther».
- « la lumière s'étend de toutes parts( et, quand elle vient de
différents endroits, même de tout opposés( , les ondes lumineuses se
traversent l'une l'autre sans s'empêcher ( »
- « la propagation de la lumière depuis un objet lumineux ne saurait
être ( par le transport d'une matière, qui depuis cet objet s'en vient
jusqu'à nous ainsi qu'une balle ou une flèche traverse l'air ».

Newton (1643-1727) étudie la réfraction de la lumière, il démontre qu'un
prisme est un milieu dispersif pour la lumière : « Au début de l'année
1666, je me procurai : un prisme de verre pour réaliser la célèbre
expérience des couleurs. Ayant à cet effet obscurci ma chambre et fait un
petit trou dans les volets, pour laisser entrer une quantité convenable de
rayons du Soleil, je plaçai mon prisme contre ce trou, pour réfracter les
rayons sur le mur opposé. Ce fut d'abord très plaisant de contempler les
couleurs vives et intenses ainsi produites ... Mais au bout d'un moment je
me mis à les examiner plus soigneusement... "

Fresnel (1788-1827) s'attaque au problème des ombres et de la propagation
rectiligne de la lumière.
Avec des moyens rudimentaires, il découvre et il exploite le phénomène de
diffraction.
Il perce un petit trou dans une plaque de cuivre. Grâce à une lentille
constituée par une goutte de miel déposée sur le trou, il concentre les
rayons solaires sur un fil de fer.

Extraits d'articles parus dans l'ouvrage « Physique et Physiciens »,
« Newton et la mécanique céleste » et dans la revue « Sciences et Vie ».

( de toutes parts = dans toutes les directions ( sans s'empêcher
= sans se perturber
( de tout opposés = de sens opposés ( ne saurait être = ne
se fait pas

















Document 2 : Expérience de diffraction au laboratoire

On réalise une expérience de diffraction à l'aide d'un laser émettant une
lumière monochromatique de longueur d'onde ?.
À quelques centimètres du laser, on place successivement des fils verticaux
de diamètres connus. On désigne par a le diamètre d'un fil
La figure de diffraction obtenue est observée sur un écran blanc situé à
une distance D des fils. Pour chacun des fils, on mesure la largeur L de la
tache centrale.
À partir de ces mesures et des données, il est possible de calculer l'écart
angulaire ? du faisceau diffracté (voir figure 1 ci-après).
La figure 2 représente la courbe [pic]
[pic]

Document 3 : Caractéristiques des lasers dvd et blu-ray

Intéressons-nous aux lecteurs CD et DVD qui ont envahi notre quotidien. La
nouvelle génération de lecteurs comporte un laser bleu (le Blu-Ray) dont la
technologie utilise une diode laser fonctionnant à une longueur d'onde (B =
405 nm dans le vide, d'une couleur bleue (en fait violacée) pour lire et
écrire les données. Les CD et les DVD conventionnels utilisent
respectivement des lasers infrarouges et rouges. Les disques Blu-ray
fonctionnent d'une manière similaire à celle des CD et des DVD.
Le laser d'un lecteur Blu-Ray émet une lumière de longueur d'onde
différente de celles des systèmes CD ou DVD, ce qui permet de stocker plus
de données sur un disque de même taille (12 cm de diamètre), la taille
minimale du point sur lequel le laser grave l'information étant limitée par
la diffraction.
Pour stocker davantage d'informations sur un disque, les scientifiques
travaillent sur la mise au point d'un laser ultra violet.




















Document 4 : déviation de la lumière lors du passage de l'air au verre dans
un prisme.














Document 5 : variation de l'indice du verre en fonction de la longueur
d'onde ?.













Document 6 : Dispersion et milieu dispersif

La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une
onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes
fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la même vitesse.


D'après wikipedia


Questions

1. Un peu d'histoire ...

1. Quelle erreur commet Huyghens en comparant la propagation de la
lumière à celle des ondes mécaniques ? (1 pt)

2. Citer deux propriétés générales des ondes que l'on peut retrouver
dans le texte de Huyghens. (2 pts)

3. Newton et Fresnel ont utilisé les rayons solaires pour réaliser leurs
expériences.
Une telle lumière est-elle monochromatique ou polychromatique ? (1 pt)


2. La diffraction

1. L'angle ? étant petit, ? étant exprimé en radian, on a la relation:
tan ? ? ?.
Etablir la relation entre L et D qui a permis de calculer ? pour
chacun des fils. (2 pts)

2. Donner la relation liant ?, ? et a. Préciser les unités de ?, ? et a.
(1 pt)
3. Montrer que la courbe [pic]obtenue est en accord avec l'expression de
? donnée au 2.2. (2 pts)
4. Comment, à partir de la courbe précédente, pourrait-on déterminer la
longueur d'onde ? de la lumière monochromatique utilisée ? (1 pt)

5. Déterminer cette longueur d'onde. (2 pts)

6. Si l'on envisageait de réaliser la même étude expérimentale en
utilisant une lumière blanche, on observerait des franges irisées.
Expliquer succinctement l'aspect «irisé» de la figure observée. (1 pt)

On souhaite étudier les lasers utilisés pour les DVD et les Blu-Ray. Le
montage reste inchangé et on a choisit un fil de diamètre a quelconque.
Pour la figure de diffraction obtenue avec un laser « DVD », on mesure LDVD
= 4,8 cm.
On remplace alors le laser « DVD » par le laser utilisé dans le lecteur Blu-
Ray sans modifier le reste du montage, on obtient une tache centrale de
largeur LBR= 3,0 cm.

7. Expliquer pourquoi le Blu-Ray permet un stockage plus important que
le DVD. (2 pts)

8. Quelle relation lie la longueur d'onde ? du laser utilisé et la
largeur L de la tache centrale de diffraction ?
(1 pt)

9. A partir de ces deux expériences, calculer la valeur de la longueur
d'onde (DVD de la radiation monochromatique d'un lecteur DVD. (1 pt)

3. Dispersion de la lumière

1. Quelle caractéristique d'une onde lumineuse monochromatique est
invariante quel que soit le milieu transparent traversé ? (1 pt)

2. Le verre d'un prisme est un milieu dispersif pour la lumière blanche.
Justifier, en utilisant les documents et détaillant votre
raisonnement. (2 pts)



Exercice 2 : les ondes sismiques (20 pts - durée indicative : 50 mn)

Document 1

Lors d'un séisme, la Terre est mise en mouvement par des ondes de
différentes natures, qui occasionnent des secousses plus ou moins violentes
et destructrices en surface. La source à l'origine de la perturbation est
appelée le foyer, dont la profondeur par rapport à la surface de la Terre
est une donnée importante lors d'un séisme.
On distingue deux types d'ondes se propageant en volume dans la
lithosphère.

- les ondes P, ou ondes primaires, les plus rapides, se propageant dans les
solides et les liquides.
Leur célérité cp vaut en moyenne cp = 6,0 km.s - 1.

- les ondes S, ou ondes secondaires, moins rapides, ne se propageant que
dans les solides.
Leur célérité cs vaut en moyenne cs = 3,5 km.s - 1.

L'enregistrement de ces ondes par des sismographes à la surface de la Terre
permet de déterminer l'épicentre du séisme, qui est le point de la surface
de la Terre à la verticale du foyer (lieu de naissance de la perturbation).


















Document 2

|La magnitude d'un séisme est une grandeur |[pic] |
|caractéristique d'un séisme, indépendante du | |
|lieu d'observation. | |
|Elle permet de rendre compte de son intensité.| |
| | |
|Elle a été introduite par le géologue | |
|américain C.F.Richter en 1935 pour comparer | |
|les séismes entre eux. Si M est la magnitude | |
|du tremblement de terre et ymax l'amplitude | |
|maximale (en m) de mouvement du sol mesuré par| |
|le sismographe, alors : | |
|[pic] | |
|y0 est l'amplitude d'un séisme de référence | |
|(en m). | |
|La fonction logarithme décimal est la fonction|