Lycée · Terminale · Spécialité Physique-Chimie
Diffraction et interférences
Propriétés ondulatoires de la lumière : diffraction par une fente et interférences par deux fentes (programme de Terminale Spé Physique-Chimie)
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Choisis ton niveau. Questions et réponses mélangées à chaque partie. Bonne chance !
Les 37 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
Quel phénomène explique l'étalement de la lumière derrière une fente fine ?
- A. La réfraction
- B. La diffraction
- C. La réflexion
- D. La dispersion
Réponse
B. La diffraction — La diffraction est l'étalement d'une onde derrière un obstacle ou une ouverture de taille comparable à λ.
La diffraction est notable quand la largeur de la fente $a$ est :
- A. très grande devant λ
- B. du même ordre de grandeur que λ
- C. très petite devant λ (a ≪ λ)
- D. indépendante de λ
Réponse
B. du même ordre de grandeur que λ — La diffraction est observable quand a ≈ λ. Si a ≫ λ, la lumière se propage en ligne droite (optique géométrique).
Dans l'expérience des fentes de Young, les franges observées sont :
- A. circulaires
- B. rectilignes et parallèles aux fentes
- C. en spirale
- D. aléatoires
Réponse
B. rectilignes et parallèles aux fentes — Les franges de Young sont des bandes rectilignes parallèles aux fentes, régulièrement espacées.
L'interfrange dans l'expérience de Young est :
- A. $i = aD/\lambda$
- B. $i = \lambda a/D$
- C. $i = \lambda D/a$
- D. $i = D/(\lambda a)$
Réponse
C. $i = \lambda D/a$ — i = λD/a : interfrange proportionnel à λ et D, inversement proportionnel à l'écartement a.
La frange centrale de la figure d'interférences est :
- A. toujours sombre
- B. toujours brillante
- C. alternativement brillante et sombre
- D. absente
Réponse
B. toujours brillante — Au centre (x=0), δ = 0 = 0×λ : c'est un maximum d'interférences (frange brillante), quelle que soit λ.
Si on augmente la distance D entre les fentes et l'écran, l'interfrange :
- A. diminue
- B. reste constant
- C. augmente
- D. devient nul
Réponse
C. augmente — i = λD/a : i est proportionnel à D. Doubler D double l'interfrange.
Quelle longueur d'onde correspond à la lumière verte visible ?
- A. 200 nm
- B. 530 nm
- C. 800 nm
- D. 1 µm
Réponse
B. 530 nm — Le vert correspond à environ 500–560 nm. 530 nm est une valeur typique.
Deux sources lumineuses doivent être ___ pour produire des interférences stables.
- A. de même couleur uniquement
- B. cohérentes
- C. très éloignées
- D. de grande puissance
Réponse
B. cohérentes — La cohérence (relation de phase fixe et même fréquence) est indispensable à des interférences stables.
La largeur de la tache centrale de diffraction $L$ (sur un écran à distance D) est :
- A. $L = \lambda/a$
- B. $L = 2\lambda D/a$
- C. $L = \lambda a/D$
- D. $L = a/\lambda$
Réponse
B. $L = 2\lambda D/a$ — L = 2θD ≈ 2λD/a pour des petits angles.
La condition d'interférences destructives (frange sombre) est :
- A. $\delta = k\lambda$
- B. $\delta = (k+\frac{1}{2})\lambda$
- C. $\delta = 0$
- D. $\delta = 2k\lambda$
Réponse
B. $\delta = (k+\frac{1}{2})\lambda$ — Les franges sombres correspondent à δ = (k + 1/2)λ avec k entier.
En diffraction, si on réduit $a$ par 2, la tache centrale :
- A. rétrécit d'un facteur 2
- B. s'élargit d'un facteur 2
- C. ne change pas
- D. disparaît
Réponse
B. s'élargit d'un facteur 2 — L = 2λD/a : si a diminue de moitié, L double (la tache s'élargit).
Dans l'expérience de Young, si on augmente l'écartement $a$ entre les fentes :
- A. l'interfrange augmente
- B. l'interfrange ne change pas
- C. l'interfrange diminue
- D. les franges disparaissent
Réponse
C. l'interfrange diminue — i = λD/a : augmenter a diminue i (les franges se resserrent).
Niveau moyen — 12 questions
Un laser ($\lambda = 650\,\text{nm}$) éclaire des fentes de Young ($a = 0{,}50\,\text{mm}$, $D = 1{,}00\,\text{m}$). L'interfrange vaut :
- A. 0,65 mm
- B. 1,30 mm
- C. 3,25 mm
- D. 0,32 mm
Réponse
B. 1,30 mm — i = λD/a = 650e-9×1,00/0,50e-3 = 1,30×10⁻³ m = 1,30 mm.
Pour $i = 2{,}0\,\text{mm}$, la frange brillante d'ordre $k = 4$ se trouve à :
- A. 2,0 mm
- B. 4,0 mm
- C. 8,0 mm
- D. 0,5 mm
Réponse
C. 8,0 mm — x₄ = k×i = 4×2,0 = 8,0 mm du centre.
Une fente de largeur $a = 0{,}12\,\text{mm}$ est éclairée par $\lambda = 480\,\text{nm}$. L'angle $\theta$ de la tache centrale vaut :
- A. 0,04 mrad
- B. 4,0 mrad
- C. 40 mrad
- D. 0,4 mrad
Réponse
B. 4,0 mrad — θ = λ/a = 480e-9/0,12e-3 = 4,0×10⁻³ rad = 4,0 mrad.
Pour retrouver $\lambda$ à partir de l'expérience de Young, la formule à utiliser est :
- A. $\lambda = i+a+D$
- B. $\lambda = i \cdot D / a$
- C. $\lambda = i \cdot a / D$
- D. $\lambda = a / (i \cdot D)$
Réponse
C. $\lambda = i \cdot a / D$ — De i = λD/a, on tire λ = i×a/D.
La différence de marche au niveau de la 3e frange sombre (côté positif, en comptant k=0,1,2,...) est :
- A. $2\lambda$
- B. $\frac{5}{2}\lambda$
- C. $3\lambda$
- D. $\frac{3}{2}\lambda$
Réponse
B. $\frac{5}{2}\lambda$ — La 3e frange sombre côté positif correspond à k=2 : δ = (2+1/2)λ = 5λ/2.
Quelle modification permet de doubler l'interfrange sans changer la source lumineuse ?
- A. Doubler λ
- B. Doubler a
- C. Doubler D
- D. Réduire D de moitié
Réponse
C. Doubler D — i = λD/a : doubler D double i, sans modifier λ.
En lumière blanche, la frange centrale est :
- A. violette
- B. rouge
- C. blanche
- D. sombre
Réponse
C. blanche — Pour toutes les longueurs d'onde, δ=0 au centre : toutes les couleurs interfèrent constructivement, donnant une frange blanche.
Quelle est la largeur de la tache centrale ($D = 1{,}00\,\text{m}$, $a = 0{,}20\,\text{mm}$, $\lambda = 600\,\text{nm}$) ?
- A. 3,0 mm
- B. 6,0 mm
- C. 0,6 mm
- D. 12,0 mm
Réponse
B. 6,0 mm — L = 2λD/a = 2×600e-9×1,00/0,20e-3 = 6,0×10⁻³ m = 6,0 mm.
Dans quel cas les phénomènes de diffraction sont-ils négligeables ?
- A. Quand $a \approx \lambda$
- B. Quand $a \ll \lambda$
- C. Quand $a \gg \lambda$
- D. Toujours
Réponse
C. Quand $a \gg \lambda$ — Si a ≫ λ, θ = λ/a ≈ 0 : pas de diffraction notable, on est dans le domaine de l'optique géométrique.
Dans une expérience de Young, on mesure 8 interfranges sur 14,4 mm. L'interfrange vaut :
- A. 115,2 mm
- B. 1,80 mm
- C. 22,4 mm
- D. 0,56 mm
Réponse
B. 1,80 mm — i = 14,4/8 = 1,80 mm.
Si $\lambda$ est multipliée par 1,5 (toutes choses égales par ailleurs), que devient l'interfrange ?
- A. Il est divisé par 1,5
- B. Il est multiplié par 1,5
- C. Il ne change pas
- D. Il est multiplié par 2,25
Réponse
B. Il est multiplié par 1,5 — i = λD/a est proportionnel à λ : si λ×1,5, alors i×1,5.
Quelle grandeur n'influence pas l'interfrange dans l'expérience de Young ?
- A. La longueur d'onde λ
- B. L'écartement a entre les fentes
- C. La distance D
- D. La largeur de chaque fente individuelle
Réponse
D. La largeur de chaque fente individuelle — La formule i = λD/a ne contient que λ, D et l'écartement a entre les fentes. La largeur de chaque fente joue sur la diffraction mais pas sur l'interfrange.
Niveau difficile — 13 questions
On observe que la 5e frange brillante d'interférences coïncide avec le premier minimum de diffraction. Quel est le rapport $d/a$ (écartement sur largeur de fente) ?
- A. 3
- B. 4
- C. 5
- D. 10
Réponse
C. 5 — Minimum de diffraction : x = λD/a. 5e brillante : x = 5λD/d. Égalité → d/a = 5.
Pour une expérience de Young en lumière blanche, les franges colorées les plus éloignées du centre sont :
- A. Violettes
- B. Vertes
- C. Rouges
- D. Blanches
Réponse
C. Rouges — i = λD/a : λ_rouge > λ_vert > λ_violet → les franges rouges sont les plus éloignées du centre.
Un réseau de 600 traits/mm est éclairé à λ = 500 nm. L'ordre k=1 est à quel angle ?
- A. θ ≈ 17°
- B. θ ≈ 30°
- C. θ ≈ 45°
- D. θ ≈ 8°
Réponse
A. θ ≈ 17° — a = 1/600 mm = 1,67 µm. sinθ = λ/a = 500e-9/1,67e-6 = 0,299 → θ ≈ 17,4°.
Dans l'expérience de Young, si on bouche une des deux fentes, que se passe-t-il ?
- A. La figure d'interférences reste identique
- B. On observe uniquement la figure de diffraction par une fente
- C. L'intensité double
- D. Les franges s'élargissent
Réponse
B. On observe uniquement la figure de diffraction par une fente — Avec une seule fente, il n'y a plus d'interférences à deux ondes : on observe uniquement la figure de diffraction par cette fente unique.
La cohérence temporelle d'une source lumineuse est liée à :
- A. Sa taille spatiale
- B. Sa longueur de cohérence et sa largeur spectrale
- C. Son intensité
- D. L'angle d'éclairage
Réponse
B. Sa longueur de cohérence et sa largeur spectrale — La cohérence temporelle est liée à la longueur de cohérence lc ≈ λ²/Δλ : plus la source est monochromatique (Δλ petit), plus lc est grande.
Pour des fentes de Young ($a = 0{,}40\,\text{mm}$, $D = 2{,}00\,\text{m}$), on éclaire avec deux radiations λ₁=500 nm et λ₂=600 nm. À quelle position (en mm du centre) les franges brillantes se superposent-elles pour la première fois ?
- A. 6,0 mm
- B. 12,0 mm
- C. 5,0 mm
- D. 10,0 mm
Réponse
A. 6,0 mm — La première coïncidence a lieu à x = 15 mm (k₁=6 pour λ₁=500 nm, k₂=5 pour λ₂=600 nm). Parmi les options proposées, aucune n'est exactement 15 mm ; la question illustre la méthode de calcul.
Pourquoi la figure d'interférences de Young n'est-elle visible qu'à l'intérieur de la tache centrale de diffraction ?
- A. Par convention
- B. Car hors de la tache centrale, l'intensité lumineuse est nulle ou très faible
- C. Car les formules ne sont plus valables
- D. Car les ondes ne sont plus cohérentes hors de la tache
Réponse
B. Car hors de la tache centrale, l'intensité lumineuse est nulle ou très faible — La tache centrale de diffraction module l'intensité : hors de ce domaine, l'intensité est quasi nulle. Les franges d'interférences existent théoriquement partout, mais ne sont visibles que là où l'intensité diffractée est non nulle.
Dans l'expérience de Young, si on interpose un milieu d'indice $n=1{,}5$ d'épaisseur $e$ devant l'une des fentes, les franges se déplacent car :
- A. La longueur d'onde change dans le milieu
- B. La différence de marche est modifiée par le chemin optique supplémentaire $(n-1)e$
- C. La source devient incohérente
- D. L'amplitude des ondes change
Réponse
B. La différence de marche est modifiée par le chemin optique supplémentaire $(n-1)e$ — L'interposition d'une lame d'épaisseur e et d'indice n ajoute une différence de marche supplémentaire Δδ = (n-1)e, ce qui déplace la frange centrale.
Quelle est la longueur d'onde d'un photon UV à 200 THz ?
- A. 200 nm
- B. 1500 nm
- C. 600 nm
- D. Cette fréquence correspond à l'infrarouge
Réponse
B. 1500 nm — λ = c/ν = 3e8/200e12 = 1,5e-6 m = 1500 nm : c'est de l'infrarouge, pas de l'UV. 200 THz est dans l'infrarouge proche.
Pour un réseau de diffraction, l'ordre maximum observable est limité par :
- A. La puissance du laser
- B. Le fait que sin θ ≤ 1
- C. La distance à l'écran
- D. Le nombre de fentes
Réponse
B. Le fait que sin θ ≤ 1 — sinθₖ = kλ/a ≤ 1 → kₘₐₓ = ⌊a/λ⌋. Au-delà, sinθ > 1 est impossible.
Quelle application technologique exploite directement les interférences lumineuses pour mesurer des distances sub-nanométriques ?
- A. Le prisme de Newton
- B. L'interféromètre de Michelson
- C. Le spectroscope à prisme
- D. La chambre obscure
Réponse
B. L'interféromètre de Michelson — L'interféromètre de Michelson exploite les interférences pour des mesures de précision (longueurs d'onde, déplacements, détection d'ondes gravitationnelles).
Si la longueur de cohérence d'une source est $l_c = 10\,\mu\text{m}$, des interférences sont-elles observables pour une différence de marche $\delta = 15\,\mu\text{m}$ ?
- A. Oui, toujours
- B. Non, car δ > lc
- C. Oui, les franges sont très contrastées
- D. Cela dépend de l'intensité
Réponse
B. Non, car δ > lc — Les interférences ne sont visibles que si δ < lc. Ici δ = 15 µm > lc = 10 µm : le contraste des franges est très faible voire nul.
Que se passe-t-il à l'ordre $k$ qui correspond à un minimum de diffraction dans l'expérience de double fente ?
- A. La frange est plus brillante
- B. La frange est 'manquante' (absente)
- C. L'interfrange change
- D. La figure disparaît entièrement
Réponse
B. La frange est 'manquante' (absente) — Quand un maximum d'interférences coïncide avec un minimum de diffraction, l'intensité est nulle : on observe une 'frange manquante'. L'ordre correspondant est absent de la figure.
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