Lycée · Terminale · Spécialité Physique-Chimie
Ondes électromagnétiques
Nature, spectre et propagation des ondes électromagnétiques (programme Tle spé PC)
À propos de cette page
Calculatrice interdite · Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Devoir surveillé de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.
Exercice 1 — Spectre et domaines des ondes électromagnétiques
/ 4 pts- Classer les rayonnements suivants par longueur d'onde croissante : lumière visible verte (λ = 530 nm), ondes WiFi (f = 2,4 GHz), rayons X (λ = 0,1 nm), infrarouge (λ = 1 μm). (2 pts)
- Calculer la fréquence des ondes WiFi (f = 2,4 GHz est donnée). Exprimer la longueur d'onde correspondante dans le vide en cm. Données : c = 3,00 × 10⁸ m/s. (2 pts)
Exercice 2 — Indice de réfraction et propagation
/ 4 pts- La vitesse de la lumière dans un cristal est v = 1,76 × 10⁸ m/s. Calculer l'indice de réfraction n du cristal. (1 pt)
- En déduire la longueur d'onde dans le cristal d'un faisceau lumineux de longueur d'onde λ₀ = 589 nm dans le vide. (1,5 pts)
- La fréquence de ce faisceau change-t-elle en entrant dans le cristal ? Justifier. (1,5 pts)
Exercice 3 — Énergie des photons et transitions atomiques
/ 6 pts- Un atome présente deux niveaux d'énergie : E₁ = −4,20 eV et E₂ = −1,80 eV. Calculer l'énergie du photon émis lors de la transition de E₂ vers E₁. (1,5 pts)
- Calculer la longueur d'onde de ce photon dans le vide (en nm). Préciser à quel domaine du spectre il appartient. Données : h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s, c = 3,00 × 10⁸ m/s, 1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J. (2,5 pts)
- Pour que cet atome puisse absorber un photon et passer de E₁ à E₂, quelle condition doit être satisfaite par l'énergie du photon incident ? (2 pts)
Exercice 4 — Effet Doppler et astronomie
/ 6 pts- Une galaxie s'éloigne de la Terre. La raie d'émission du calcium, habituellement à λ₀ = 393 nm, est détectée à λ_obs = 412 nm. Calculer le décalage Δλ = λ_obs − λ₀. (1 pt)
- En déduire la vitesse de récession de la galaxie (en m/s et en km/s). On utilisera l'approximation v ≪ c. Données : c = 3,00 × 10⁸ m/s. (2,5 pts)
- Ce décalage est-il vers le bleu ou vers le rouge ? Qu'en conclut-on sur le mouvement de la galaxie ? (1,5 pts)
- Comment s'appelle ce phénomène de décalage systématique vers le rouge des galaxies lointaines, et quelle grande conclusion cosmologique en tire-t-on ? (1 pt)
Corrigé détaillé — à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie
Exercice 1 — Spectre et domaines des ondes électromagnétiques
Corrigé :
1. Tri par longueur d'onde croissante :
• Rayons X : λ = 0,1 nm
• Visible vert : λ = 530 nm
• Infrarouge : λ = 1 μm = 1000 nm
• WiFi : λ = c/f = 3,00×10⁸ / 2,4×10⁹ ≈ 0,125 m = 12,5 cm
Ordre : rayons X < visible < infrarouge < WiFi.
2. f = 2,4 GHz = 2,4×10⁹ Hz (donnée). λ = c/f = 3,00×10⁸ / 2,4×10⁹ ≈ 0,125 m = 12,5 cm.
Exercice 2 — Indice de réfraction et propagation
Corrigé :
1. n = c/v = 3,00×10⁸ / 1,76×10⁸ ≈ 1,70.
2. λ_cristal = λ₀/n = 589/1,70 ≈ 347 nm.
3. Non, la fréquence ne change pas lors d'un changement de milieu. En effet, la fréquence est imposée par la source et reste invariante. C'est la longueur d'onde (et la vitesse de propagation) qui s'adaptent : λ = v/f, et comme v = c/n, on a λ_milieu = λ₀/n.
Exercice 3 — Énergie des photons et transitions atomiques
Corrigé :
1. ΔE = E₂ − E₁ = −1,80 − (−4,20) = 2,40 eV = 2,40 × 1,60×10⁻¹⁹ = 3,84×10⁻¹⁹ J.
2. λ = hc/E = (6,63×10⁻³⁴ × 3,00×10⁸) / 3,84×10⁻¹⁹ ≈ 5,18×10⁻⁷ m = 518 nm. Ce photon appartient au domaine du visible (lumière verte).
3. Pour que l'atome absorbe le photon, l'énergie du photon doit être exactement égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux : E_photon = E₂ − E₁ = 2,40 eV. L'absorption est un phénomène quantique : si l'énergie ne correspond pas exactement à une transition, l'atome ne peut pas absorber le photon.
Exercice 4 — Effet Doppler et astronomie
Corrigé :
1. Δλ = 412 − 393 = 19 nm.
2. v = c × Δλ/λ₀ = 3,00×10⁸ × 19/393 ≈ 1,45×10⁷ m/s ≈ 14 500 km/s (environ 4,8% de c — l'approximation est acceptable).
3. Le décalage est vers le rouge (longueur d'onde reçue plus grande que longueur d'onde émise). Cela signifie que la galaxie s'éloigne de nous.
4. Ce phénomène est le redshift cosmologique. Il montre que les galaxies lointaines s'éloignent toutes de nous, ce qui constitue la preuve observationnelle de l'expansion de l'Univers (loi de Hubble-Lemaître).
Ce contrôle de spécialité physique-chimie Terminale en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Ondes électromagnétiques » : 4 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le corrigé détaillé est dépliable sous le sujet.
- Exercice 1 — Spectre et domaines des ondes électromagnétiques/ 4 pts
- Exercice 2 — Indice de réfraction et propagation/ 4 pts
- Exercice 3 — Énergie des photons et transitions atomiques/ 6 pts
- Exercice 4 — Effet Doppler et astronomie/ 6 pts
Notions évaluées
Nature et caractéristiques des ondes électromagnétiques, Le spectre électromagnétique, Propagation dans un milieu matériel : indice de réfraction, L'énergie des photons : relation de Planck-Einstein, Émission et absorption de la lumière par la matière, Applications des ondes électromagnétiques.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours.
- Refaire les exercices corrigés et les problèmes.
- Se tester avec le QCM (36 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Ondes électromagnétiques » ?
- 60 minutes pour 4 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé détaillé se déplie sous le sujet, à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de spécialité physique-chimie de terminale ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Ondes électromagnétiques » du programme officiel de spécialité physique-chimie en terminale, soit Nature et caractéristiques des ondes électromagnétiques, Le spectre électromagnétique, Propagation dans un milieu matériel : indice de réfraction, L'énergie des photons : relation de Planck-Einstein.
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