Ressources · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)
Lumière : propagation, réfraction et dispersion
Propagation rectiligne, vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air, indice optique d’un milieu ; lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction ; tester la loi et déterminer un indice à partir d’une série de mesures ; dispersion de la lumière blanche par un prisme.
À propos de cette page
Les 36 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile ★ — 12 questions
La réfraction de la lumière à la surface de séparation de deux milieux transparents est due :
- A. à l’absorption d’une partie de la lumière par le second milieu
- B. au changement de vitesse de la lumière d’un milieu à l’autre
- C. à la réflexion de la lumière sur la normale
- D. à la différence de couleur des deux milieux
Réponse
B. au changement de vitesse de la lumière d’un milieu à l’autre — La lumière ne va pas à la même vitesse dans les deux milieux (leurs indices sont différents) : ce changement de vitesse lui fait changer de direction.
La vitesse de la lumière dans le vide vaut environ :
- A. 3,00 × 10⁵ m/s
- B. 340 m/s
- C. 3,00 × 10⁸ km/s
- D. 3,00 × 10⁸ m/s
Réponse
D. 3,00 × 10⁸ m/s — c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s, soit environ 300 000 km/s ; 340 m/s est la vitesse du son dans l’air.
L’indice optique d’un milieu dans lequel la lumière va à la vitesse v est défini par :
- A. n = c ÷ v
- B. n = v ÷ c
- C. n = c × v
- D. n = c − v
Réponse
A. n = c ÷ v — n = c ÷ v : un quotient de deux vitesses, sans unité, supérieur à 1 dans un milieu transparent usuel.
Les angles d’incidence et de réfraction se mesurent par rapport :
- A. à la surface de séparation
- B. au rayon réfléchi
- C. à la normale à la surface
- D. à l’horizontale de la salle
Réponse
C. à la normale à la surface — Tous les angles des lois de Snell-Descartes sont repérés depuis la normale, perpendiculaire à la surface au point d’incidence.
Lors d’une réflexion sur un miroir plan :
- A. l’angle de réflexion est le double de l’angle d’incidence
- B. l’angle de réflexion est la moitié de l’angle d’incidence
- C. l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence
- D. l’angle de réflexion vaut toujours 90°
Réponse
C. l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence — Loi de la réflexion : r = i, le rayon réfléchi étant de l’autre côté de la normale.
L’indice optique d’un milieu s’exprime :
- A. en mètre par seconde
- B. sans unité
- C. en seconde
- D. en mètre
Réponse
B. sans unité — C’est le quotient de deux vitesses exprimées dans la même unité : il n’a pas d’unité.
Un prisme reçoit de la lumière blanche. La radiation la plus déviée est la radiation :
- A. rouge
- B. jaune
- C. verte
- D. violette
Réponse
D. violette — L’indice du verre est plus grand pour le violet : c’est la radiation la plus déviée ; le rouge est la moins déviée.
Le rayon incident, la normale et le rayon réfracté sont :
- A. dans un même plan
- B. perpendiculaires deux à deux
- C. dans trois plans différents
- D. parallèles entre eux
Réponse
A. dans un même plan — Première loi de Snell-Descartes : le rayon réfracté est dans le plan d’incidence, défini par le rayon incident et la normale.
Dans l’air, la lumière se propage à une vitesse :
- A. environ un million de fois plus faible que dans le vide
- B. pratiquement égale à celle dans le vide
- C. égale à celle du son, 340 m/s
- D. nulle, car l’air arrête la lumière
Réponse
B. pratiquement égale à celle dans le vide — L’indice de l’air vaut 1,000 3 : la vitesse de la lumière y est pratiquement c.
Le verre (n = 1,52) et l’eau (n = 1,33) :
- A. l’eau est plus réfringente que le verre
- B. la lumière va plus vite dans le verre
- C. le verre est plus réfringent que l’eau
- D. la lumière va aussi vite dans les deux
Réponse
C. le verre est plus réfringent que l’eau — L’indice du verre est plus grand : il est plus réfringent, et la lumière y est plus lente.
Un rayon qui traverse un prisme est dévié :
- A. vers le sommet du prisme
- B. ni vers la base ni vers le sommet
- C. vers le sommet ou la base selon sa couleur
- D. vers la base du prisme
Réponse
D. vers la base du prisme — Les deux réfractions dévient le rayon vers la base, pour toutes les radiations ; seule l’ampleur de la déviation dépend de la radiation.
Un demi-cylindre transparent posé sur un disque gradué sert à :
- A. mesurer des angles d’incidence et de réfraction
- B. mesurer la vitesse de la lumière
- C. décomposer la lumière blanche
- D. produire un faisceau laser
Réponse
A. mesurer des angles d’incidence et de réfraction — Le laser vise le centre de la face plane : on lit i₁ et i₂ sur le disque, puis on teste la loi et on détermine l’indice.
Niveau moyen ★★ — 12 questions
Une sonde spatiale est à 9,0 × 10¹⁰ m de la Terre. Un signal lumineux met pour lui parvenir :
- A. 30 s
- B. 3,0 × 10³ s
- C. 300 s
- D. 2,7 × 10¹⁹ s
Réponse
C. 300 s — Δt = 9,0 × 10¹⁰ ÷ (3,00 × 10⁸) = 300 s, soit 5 min.
Dans un verre d’indice 1,60, la lumière se propage à :
- A. 1,88 × 10⁸ m/s
- B. 4,80 × 10⁸ m/s
- C. 5,33 × 10⁻⁹ m/s
- D. 3,00 × 10⁸ m/s
Réponse
A. 1,88 × 10⁸ m/s — v = c ÷ n = 3,00 × 10⁸ ÷ 1,60 ≈ 1,88 × 10⁸ m/s.
Un rayon passe de l’air dans un liquide d’indice 1,42 avec un angle d’incidence de 20,0°. L’angle de réfraction vaut :
- A. 29,1°
- B. 20,0°
- C. 14,1°
- D. 13,9°
Réponse
D. 13,9° — sin i₂ = sin 20,0° ÷ 1,42 ≈ 0,241, d’où 13,9°. Le piège 14,1° vient de la division de l’angle au lieu du sinus.
Dans un milieu, la lumière se propage à 2,25 × 10⁸ m/s. Son indice vaut :
- A. 0,750
- B. 1,33
- C. 2,25
- D. 6,75
Réponse
B. 1,33 — n = 3,00 × 10⁸ ÷ (2,25 × 10⁸) ≈ 1,33 ; 0,750 correspond au quotient inversé.
Sur un miroir plan, le rayon incident et le rayon réfléchi forment un angle de 72°. L’angle d’incidence vaut :
- A. 36°
- B. 72°
- C. 18°
- D. 144°
Réponse
A. 36° — L’angle entre les deux rayons vaut i + r = 2i, donc i = 36°.
Un rayon passe d’un verre d’indice 1,65 dans l’air avec i₁ = 26,0°. L’angle de réfraction vaut environ :
- A. 15,4°
- B. 46,3°
- C. 26,0°
- D. 42,9°
Réponse
B. 46,3° — sin i₂ = 1,65 × sin 26,0° ≈ 0,723, d’où 46,3° : le rayon s’écarte de la normale. 42,9° vient de 1,65 × 26 (angles au lieu des sinus) ; 15,4° est le calcul de l’air vers le verre.
Depuis l’air, on mesure i₁ = 70,0° et i₂ = 42,0°. L’indice du milieu vaut :
- A. 1,67
- B. 0,712
- C. 1,00
- D. 1,40
Réponse
D. 1,40 — n = sin 70,0° ÷ sin 42,0° = 0,940 ÷ 0,669 ≈ 1,40 ; 1,67 est le quotient des angles.
La lumière traverse 6,0 m d’eau (n = 1,33). La durée de la traversée vaut :
- A. 2,0 × 10⁻⁸ s
- B. 1,5 × 10⁻⁸ s
- C. 2,7 × 10⁻⁸ s
- D. 2,7 × 10⁸ s
Réponse
C. 2,7 × 10⁻⁸ s — Δt = n × d ÷ c = 1,33 × 6,0 ÷ (3,00 × 10⁸) ≈ 2,7 × 10⁻⁸ s ; 2,0 × 10⁻⁸ s serait la durée dans le vide.
Le graphique de sin i₁ en fonction de sin i₂, pour des mesures faites depuis l’air, est une droite qui passe par l’origine et par le point (0,50 ; 0,81). L’indice du milieu vaut :
- A. 0,62
- B. 0,81
- C. 1,62
- D. 1,31
Réponse
C. 1,62 — L’indice est le coefficient directeur : 0,81 ÷ 0,50 ≈ 1,62.
De l’air vers l’eau (n = 1,33), pour obtenir un angle de réfraction de 20,0°, l’angle d’incidence doit valoir :
- A. 27,1°
- B. 15,0°
- C. 26,6°
- D. 14,9°
Réponse
A. 27,1° — sin i₁ = 1,33 × sin 20,0° ≈ 0,455, d’où i₁ ≈ 27,1°. 26,6° vient de 1,33 × 20 : la loi porte sur les sinus.
Lumière blanche sur un verre d’indices 1,51 (rouge) et 1,53 (violet), depuis l’air, i₁ = 30,0°. Les angles de réfraction valent :
- A. rouge 19,1° ; violet 19,3°
- B. rouge 19,3° ; violet 19,1°
- C. rouge 30,0° ; violet 30,0°
- D. rouge 49,0° ; violet 49,9°
Réponse
B. rouge 19,3° ; violet 19,1° — sin r = sin 30,0° ÷ n : 19,3° pour le rouge, 19,1° pour le violet, plus proche de la normale car son indice est plus grand.
Un satellite géostationnaire se déplace à environ 3,1 km/s. La lumière va environ :
- A. 1 × 10³ fois plus vite
- B. 1 × 10⁸ fois plus vite
- C. 1 × 10¹¹ fois plus vite
- D. 1 × 10⁵ fois plus vite
Réponse
D. 1 × 10⁵ fois plus vite — 3,00 × 10⁸ ÷ (3,1 × 10³) ≈ 1 × 10⁵ : cent mille fois plus vite. Attention à convertir les km/s en m/s.
Niveau difficile ★★★ — 12 questions
Un rayon passe d’un milieu d’indice n₁ vers un milieu d’indice n₂ inférieur à n₁, sous incidence oblique. Le rayon réfracté :
- A. se rapproche de la normale
- B. n’est jamais dévié
- C. est perpendiculaire à la surface
- D. s’écarte de la normale
Réponse
D. s’écarte de la normale — n₂ < n₁ impose sin i₂ > sin i₁, donc i₂ > i₁ : le rayon s’écarte de la normale.
Un rayon arrive sur une vitre sous incidence normale (i₁ = 0°) :
- A. il est dévié vers la normale
- B. il traverse sans être dévié
- C. il est entièrement réfléchi
- D. il est décomposé en couleurs
Réponse
B. il traverse sans être dévié — sin i₂ = 0 donc i₂ = 0° : aucune déviation, quels que soient les indices.
Le soir, dans une pièce éclairée, on voit nettement son reflet dans la vitre ; en plein jour, presque plus. La raison :
- A. la vitre ne réfléchit la lumière que lorsque l’extérieur est plongé dans la nuit
- B. la nuit, le verre refroidi devient un miroir qui renvoie toute la lumière
- C. le reflet existe toujours, mais le jour il est noyé dans la lumière du dehors
- D. le jour, toute la lumière traverse la vitre, sans la moindre réflexion partielle
Réponse
C. le reflet existe toujours, mais le jour il est noyé dans la lumière du dehors — Une vitre réfléchit toujours une petite partie de la lumière, environ 4 % par face. Le jour, la lumière venue du dehors, qui traverse la vitre, est bien plus intense que ce reflet ; le soir, dehors est sombre et le reflet se voit.
Un rayon passe d’un liquide d’indice 1,33 dans un verre d’indice 1,62 :
- A. il se rapproche de la normale
- B. il s’écarte de la normale
- C. il n’est pas dévié, les deux milieux étant transparents
- D. il n’est dévié que si l’incidence dépasse 45°
Réponse
A. il se rapproche de la normale — Le verre est plus réfringent que le liquide : i₂ < i₁. La transparence des deux milieux n’empêche pas la réfraction.
Pour tester la loi de la réfraction, on trace sin i₁ en fonction de sin i₂ plutôt que i₁ en fonction de i₂, parce que :
- A. les angles, lus seulement à 0,5° près, sont trop imprécis pour être tracés
- B. la loi prévoit que sin i₁ et sin i₂ sont proportionnels
- C. i₁ et i₂ sont égaux pour toutes les mesures
- D. la calculatrice ne donne que des valeurs de sinus
Réponse
B. la loi prévoit que sin i₁ et sin i₂ sont proportionnels — n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂ : les sinus sont proportionnels, d’où une droite passant par l’origine ; les angles, eux, ne le sont pas.
La dispersion de la lumière blanche par un prisme s’explique par le fait que :
- A. le verre ajoute des couleurs à la lumière blanche
- B. la vitesse dans le verre est la même pour toutes les couleurs
- C. le prisme réfléchit chaque couleur sur sa base
- D. l’indice du verre dépend de la couleur de la radiation
Réponse
D. l’indice du verre dépend de la couleur de la radiation — Indice différent pour chaque radiation, donc angle de réfraction différent : les radiations se séparent.
La lumière va à 2,4 × 10⁸ m/s dans un milieu A et à 1,9 × 10⁸ m/s dans un milieu B. Un rayon passant de A vers B sous incidence oblique :
- A. se rapproche de la normale
- B. s’écarte de la normale
- C. n’est pas dévié
- D. on ne peut pas conclure sans les indices
Réponse
A. se rapproche de la normale — Plus la lumière est lente, plus l’indice est grand : n(B) > n(A), donc le rayon se rapproche de la normale.
Un élève affirme : « Si j’augmente i₁ de 10°, i₂ augmente aussi de 10°. »
- A. c’est vrai quels que soient les deux milieux
- B. c’est vrai seulement si n₂ > n₁
- C. c’est faux, sauf si les deux indices sont égaux
- D. c’est vrai seulement pour de petits angles
Réponse
C. c’est faux, sauf si les deux indices sont égaux — La loi relie les sinus : i₂ ne suit i₁ degré pour degré que si n₁ = n₂, c’est-à-dire sans réfraction.
Le faisceau d’un laser bleu traverse un prisme de verre. Sur un écran, on observe :
- A. un éventail coloré, du rouge au violet
- B. une tache bleue, déviée vers la base
- C. une tache bleue, déviée vers le sommet
- D. une tache blanche, non déviée
Réponse
B. une tache bleue, déviée vers la base — Le laser est monochromatique : un seul indice, une seule direction. Il est dévié vers la base, mais pas décomposé.
Dans une série de mesures depuis l’air, la mesure à i₁ = 10° donne un quotient sin i₁ ÷ sin i₂ un peu éloigné des autres. L’explication la plus probable :
- A. la loi de Snell-Descartes cesse de s’appliquer aux tout petits angles d’incidence
- B. l’indice du milieu change avec l’angle d’incidence
- C. le laser n’émet plus une seule radiation
- D. aux petits angles, une erreur de lecture de 0,5° pèse davantage
Réponse
D. aux petits angles, une erreur de lecture de 0,5° pèse davantage — À 10°, une erreur de 0,5° sur i₂ (environ 6,5°) change fortement le quotient ; à grand angle, la même erreur compte moins. D’où l’intérêt d’exploiter toute la droite.
Un rayon passe de l’air dans un verre d’indice 1,50. On double l’angle d’incidence, de 20° à 40°. L’angle de réfraction :
- A. double exactement, comme l’angle d’incidence
- B. augmente de plus du double, le verre étant plus réfringent
- C. augmente, mais moins que du double
- D. ne change pas
Réponse
C. augmente, mais moins que du double — i₂ passe d’environ 13,2° à 25,4° : il augmente, mais d’un facteur 1,93 seulement, car la loi porte sur les sinus.
Depuis l’air, on mesure i₁ = 45,0° et i₂ = 28,0°. Pour i₁ = 60,0°, on peut prévoir i₂ ≈ :
- A. 35,1°
- B. 37,3°
- C. 43,0°
- D. 28,0°
Réponse
A. 35,1° — n = sin 45,0° ÷ sin 28,0° ≈ 1,51 ; sin i₂ = sin 60,0° ÷ 1,51 ≈ 0,575, d’où i₂ ≈ 35,1°. 37,3° suppose les angles proportionnels.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
Prof de physique-chimie à Marseille · Cours particuliers au lycée · Aide aux devoirs