Physique Tout-en-Un MPSI/PTSI : Manuel Complet

TOUT-EN UN
Physique
tout-en-un
MPSI | PTSI
Sous la direction de Bernard Salamito
damien Jurine
Stéphane Cardini
marie-noëlle Sanz
Avec la collaboration de :
emmanuel angot
anne-emmanuelle Badel
FrançoiS ClauSSet
P0I-IV-9782100600779.indd 3 29/07/2013 10:53:22

© Dunod, Paris, 2013
ISBN 978-2-10-070310-4
Conception et création de couverture : Atelier 3+
Les photos du chapitre 5 ont été réalisées par Pierre Canaguier.
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I Signaux physiques 21
1 Oscillateur harmonique 23
1 Un oscillateur harmonique mécanique . . ................... 23
1.1 Systèmeétudié ............................. 23
1.2 Obtentiond’uneéquationdifférentielle ................ 24
1.3 Définition d’un oscillateur harmonique . ............... 24
1.4 Résolutiondel’équationdifférentielle................. 25
1.5 Conservation de l’énergie mécanique . . ............... 27
1.6 Amplitudeetpériodedumouvement.................. 29
2 Signalsinusoïdal ................................ 30
2.1 Définition du signal sinusoïdal . . ................... 30
2.2 Phase instantanée, phase initiale . ................... 30
2.3 Période,fréquence ........................... 31
2.4 Uneinterprétationgéométrique .................... 32
2.5 ReprésentationdeFresnel(MPSI)................... 33
2.6 Déphasage ............................... 34
2 Propagation d’un signal 47
1 Signaux physiques, spectre ........................... 47
1.1 Ondes et signaux physiques . . . ................... 47
1.2 Notiondespectre............................ 48
1.3 Cas d’un signal périodique de forme quelconque . . . ........ 50
1.4 Casd’unsignalnonpériodique..................... 53
1.5 Analyseharmoniqueexpérimentale .................. 53
1.6 Exemple : analyse de signaux sonores . . ............... 55

TABLE DES MATIÈRES
2 Phénomènedepropagation........................... 57
2.1 Observationsexpérimentales...................... 57
2.2 Ondeprogressive............................ 58
2.3 Ondeprogressivesinusoïdale...................... 62
3 Superpositions de deux signaux sinusoïdaux 79
1 Interférences entre deux ondes de même fréquence . . . . . . ........ 79
1.1 Sommededeuxsignauxsinusoïdauxdemêmefréquence....... 79
1.2 Phénomèned’interférences....................... 83
2 Ondes stationnaires et modes propres . . . ................... 88
2.1 Superposition de deux ondes progressives de même amplitude .... 88
2.2 Onde stationnaire . ........................... 88
2.3 ExpériencedelacordedeMelde.................... 90
2.4 Modespropres ............................. 94
4 Onde lumineuse 119
1 L’onde lumineuse . . . . . ...........................119
1.1 Existence et nature de l’onde lumineuse . ...............119
1.2 Célérité de l’onde lumineuse . . . ...................119
1.3 Longueurs d’onde et fréquences optiques ...............120
2 Récepteurs lumineux, éclairement .......................122
2.1 Comparaison avec les récepteurs d’onde sonore . . . . ........122
2.2 Exemples de récepteurs d’onde lumineuse ...............123
2.3 Éclairement...............................124
2.4 Éclairementspectral ..........................124
3 Lessourceslumineuses.............................125
3.1 Lessourcesdelumièreblanche ....................125
3.2 Leslampesspectrales..........................125
3.3 Faisceau laser . . . ...........................126
4 Rayon lumineux et source ponctuelle . . . ...................126
4.1 Expérience ...............................126
4.2 Définition d’un rayon lumineux . ...................127
4.3 Propagation rectiligne . . .......................127
4.4 Modèle de la source ponctuelle et monochromatique . ........128
5 Ladiffractiondelalumière...........................129
5.1 Diffractionparunefente........................129
5.2 Universalité du phénomène de diffraction ...............131
2

TABLE DES MATIÈRES
5 Optique géométrique 149
1 Approximationdel’optiquegéométrique....................149
2 LoisdeDescartes................................150
2.1 Lois de Descartes pour la réflexion ...................150
2.2 Lois de Descartes pour la réfraction . . . ...............151
3 Miroirplan ...................................153
3.1 Imaged’unpointobjetparunmiroirplan...............153
3.2 Imaged’unobjetparunmiroirplan ..................155
4 SystèmescentrésetapproximationdeGauss..................155
4.1 Systèmesoptiquescentrés .......................155
4.2 ApproximationdeGauss........................155
4.3 Propriétésd’unsystèmecentrédanslesconditionsdeGauss .....156
4.4 Foyersobjet,foyersimage.......................157
5 Lentilles minces . . . . . . ...........................159
5.1 Présentation des lentilles . .......................159
5.2 Constructionsgéométriques ......................161
5.3 Relationsdeconjugaison........................167
5.4 Complément:démonstrationdesformulesdeconjugaison ......168
6 Applications des lentilles . ...........................168
6.1 Projectiond’uneimage.........................168
6.2 Lemicroscope .............................171
6.3 La lunette de Galilée . . . .......................173
6.4 La lunette astronomique . .......................174
7 L’œil.......................................175
7.1 Descriptionetmodélisation ......................175
7.2 Caractéristiquesoptiques........................176
7.3 Défautsdel’œil.............................176
8 Approche documentaire : influence des réglages sur l’image produite par un
appareil photographique numérique . . . ...................177
8.1 Modélisation ..............................177
8.2 Influencedudiaphragmed’ouverture .................178
8.3 Influencedeladistancefocale.....................181
6 Introduction au monde quantique 207
1 La dualité onde-particule de la lumière . . ...................207
1.1 Introduction . . . . ...........................207
1.2 Historique de la découverte du photon . . ...............208
1.3 Le photon . . . . . ...........................210
3