Exercice SAAQ - Armand

La propagation rectiligne
Textes pages 4 à 13
1
Parmi les situations décrites ci-dessous, lesquelles
représentent un phénomène basé sur la propagation
rectiligne de la lumière?
2
Une source lumineuse placée au fond d’une boîte
sert à éclairer une ballerine. Déterminez la grandeur
de l’ouverture de la boîte qui permettrait d’éclairer
en entier la ballerine.
3
Un astronome amateur n’ayant qu’une vision monoculaire (œil droit) observe le ciel et perçoit une
partie d’une constellation en vision périphérique.
Combien d’étoiles peut-il percevoir?
A) Un arpenteur détermine, à l’aide d’un théodolite, la
hauteur à laquelle un trottoir devra être construit.
B) Lorsqu’il y a de l’humidité en haute atmosphère,
des halos apparaissent parfois autour de la Lune.
C) Une ampoule allumée éclaire une pièce.
D) Un archer ajuste son tir vers la cible.
Quelles sont-elles?
E) Un chanteur est éclairé par un projecteur de scène.
F) Une éclipse de soleil est visible dans le ciel.
2
4
5
Une personne est assise sur une chaise placée au
point O dans une cuisine et regarde par la porte la
séparant du salon, comme l’illustre la figure suivante.
Deux lampadaires éclairent une aire pour piétons.
Un mur en pierres sépare les lampadaires de l’aire pour piétons.
A
B
O
D
C
Cuisine
Salon
I
A) Tracez les rayons qui délimitent le champ visuel de la personne à travers l’ouverture
pratiquée entre la cuisine et le salon.
II
III
A) Parmi les zones I, II et III indiquées sur le schéma, lesquelles représentent
respectivement la zone d’ombre et la zone de pénombre formées par le mur?
Ombre :
B) Indiquez, par les lettres, les objets du salon vus complètement ou partiellement par la
personne.
Pénombre :
B) Justifiez vos réponses par le tracé des rayons lumineux qui délimitent les zones
d’ombre et de pénombre.
C) Qu’arriverait-il à ces zones si les lampadaires étaient plus élevés?
3
La réflexion
Textes pages 14 à 23
Pour les quatre numéros suivants, tracez l’image ou les images formées par les miroirs plans et les rayons
lumineux particuliers qui permettent à l’observateur (œil) de voir cette ou ces images de l’objet.
A
1
B
C
2
B
4
A
D
3
M1
Objet O
M2
4
Objet O
5
5
6
Deux personnes I et II sont placées devant deux
miroirs M1 et M2 comme dans l’illustration
ci-dessous.
A) I se voit-elle dans M1?
_______________
B) I se voit-elle dans M2?
_______________
C) II se voit-elle dans M1?
_______________
D) II se voit-elle dans M2?
_______________
M1
Tracez les rayons réfléchis par les miroirs en
indiquant correctement les angles d’incidence et
les angles de réflexion.
A)
I
II
C
III
I
B)
II
I
M2
II
III
C
6
7
9
Tracez les rayons réfléchis par l’objet en indiquant
correctement les angles d’incidence et les angles de
réflexion.
Un faisceau lumineux touche un miroir plan sous un
angle d’incidence de 30°, comme dans l’illustration
ci-dessous.
Si nous faisons tourner le miroir selon un angle
de 20°, selon quel angle tournera le rayon réfléchi?
I
II
20°
III
N1
8
Justifiez la réponse par le tracé
du nouveau rayon réfléchi et la
mesure de l’angle de rotation.
Vous voulez envoyer un message lumineux à un ami
par l’entremise d’un miroir plan.
La situation est illustrée ci-dessous.
10 Déterminez, à l’aide du tracé d’un rayon lumineux,
quelle étoile est visible par le viseur du sextant.
Vous
Étagère
Miroir
Votre ami
Tracez le trajet d’un rayon lumineux vous permettant d’acheminer votre message.
7
Images formées par un miroir courbe
Textes pages 23 à 29
11 Pour qu’une étoile soit visible dans le viseur d’un
sextant, il faut que le miroir mobile soit
correctement orienté.
1
Une personne est debout entre le centre de courbure
et le foyer d’un miroir concave.
La figure ci-dessous représente la position de la personne, le centre
de courbure, le foyer et le sommet du miroir.
Le schéma ci-dessous représente deux étoiles vues successivement
dans le viseur du sextant par un observateur.
C
F
S
Horizon
A) Tracez l’image de la personne formée par ce miroir.
B) Nommez quatre caractéristiques de cette image.
2
A) Déterminez la hauteur (angle au-dessus de l’horizon) des deux étoiles.
B) Tracez les deux positions du miroir mobile qui permettent de viser ces étoiles.
Une autre personne est placée devant un miroir
convexe.
La figure ci-dessous représente sa position devant ce miroir.
S
A) Tracez l’image de la personne formée par ce miroir.
B) Nommez quatre caractéristiques de cette image.
8
F
C
L’éclairement
Textes pages 30 à 33
3
1
Une source lumineuse est placée devant un miroir
concave de la manière illustrée ci-dessous.
Une source lumineuse ponctuelle (très petite) émet un
faisceau lumineux qui éclaire une surface dont l’aire
2
est de 10 cm à une distance de 30 cm.
À quel endroit devrait-on placer un écran pour
apercevoir l’image de cette source lumineuse?
I1 = 20 lx
A1 = 10 cm2
C
F
S
S
30 cm
60 cm
Expliquez, à l’aide d’un dessin, comment faire pour déterminer cette position.
4
A) Quelle est l’aire éclairée par le même faisceau lumineux à une distance de 60 cm?
Justifiez la réponse.
Si on approche la source lumineuse dans la position
illustrée ci-dessous, que devient son image?
C
F
S
B) Si l’éclairement est de 20 lx à 60 cm de la source, quel est l’éclairement à 30 cm de
celle-ci?
Dessinez-la et nommez quatre caractéristiques de cette image.
9
3
Pour éclairer un tableau de maître, un antiquaire
suspend un projecteur au plafond de sa boutique
à une distance horizontale de 3 m du tableau.
Le tableau a une hauteur de 2 m et est suspendu à une distance
de 1 m du plafond.
Le graphique suivant représente l’éclairement d’une
surface par une source en fonction de la distance
qui sépare la source lumineuse de l’écran qu’elle
éclaire. Le tableau indique l’éclairement de la
surface pour diverses distances.
Éclairement en fonction de la distance de la source
Le projecteur est ajusté pour que le jet de lumière n’éclaire que le
tableau.
E (lx)
2
La valeur de l’éclairement sur le cadre supérieur du tableau est
de 80 lx.
90
80
70
60
3m
50
1m
40
E = 80 lx
30
2m
20
10
0
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
d (m)
A) Par quelle méthode peut-on redresser cette courbe?
Quelle est la valeur de l’éclairement sur le cadre inférieur du tableau?
10
d (m)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
E (lx)
80
36
20
13
9
6,5
5
Le champ visuel fourni par un miroir
B) Tracez le graphique correspondant à cette courbe redressée.
Textes pages 34 à 39
C) Calculez l’éclairement que cette source fournirait sur une surface située à 0,5 m.
1
Tracez le champ visuel que l’observateur possède
avec ce miroir.
2
Un caissier dans un dépanneur veut voir les clients
entre les rayons tout en demeurant derrière sa caisse.
C’est pourquoi il se fait installer un miroir au mur.
A) Dessinez le champ visuel du caissier lorsqu’il regarde par le miroir et indiquez les
clients qu’il peut voir.
11
B) Pensant augmenter l’étendue de son champ visuel, il agrandit son miroir et le déplace
au centre de la pièce.
3
De retour à sa caisse, qu’est devenu le champ visuel obtenu par l’entremise du miroir?
Quels clients peut-il voir?
Paul invite son amie Luce à jouer aux cartes chez lui.
Il dit à Luce qu’il a installé la table à l’extrémité de
la pièce de telle sorte qu’il ne puisse pas voir son
jeu, même s’il y a deux miroirs dans la pièce.
Luce proteste en prétendant qu’à cause de la position des miroirs,
Paul pourra voir ses cartes par double réflexion.
La figure ci-dessous représente la situation.
Luce a-t-elle raison de se méfier? Justifiez la réponse.
Miroir M1
C) Mécontent, il se fait installer un miroir convexe. Quels clients peut-il voir avec ce
nouveau miroir?
Jeu de Luce
Paul
Miroir M2
12
4
5
La figure suivante représente une personne au
volant d’une automobile.
Déterminez, à l’aide du tracé de rayons lumineux, la région de l’angle mort située à
gauche de l’automobile.
Lorsqu’un conducteur d’automobile regarde par
le rétroviseur intérieur, son champ visuel est
déterminé principalement par la largeur du
rétroviseur et par sa position devant celui-ci.
La figure ci-dessous illustre un conducteur qui reçoit des rayons
lumineux provenant des extrémités du rétroviseur. Pour simplifier le
problème, supposons que le conducteur ne possède qu’un œil.
Ligne du rétroviseur
Lunette arrière
Déterminez, à l’aide d’une construction, la largeur du rétroviseur (miroir plan) qui
permettra au conducteur de voir, de sa position, toute la lunette arrière de l’auto.
(N’utilisez qu’un œil du conducteur.)
13
La réfraction
Textes pages 40 à 45
1
2
Un rayon lumineux passe de l’air au verre. La
vitesse de la lumière dans l’air est de 300 000 km/s
et elle est de 200 000 km/s dans le verre.
Un rayon lumineux passe de l’alcool à l’air sous son
angle critique.
n(air) = 1,00
c = 300 000 km/s
n(air) = 1,00
n(alcool) = 1,40
⍜c
v = 200 000 km/s
Quelle est la valeur de cet angle critique, si l’indice de réfraction de l’alcool est égal
à 1,40?
A) Calculez l’indice de réfraction du verre.
B) Si l’angle d’incidence de ce rayon était de 40°, quel serait son angle de réfraction
dans le verre?
14
3
4
Un rayon lumineux issu d’une source placée au fond
d’un récipient contenant trois liquides non miscibles
émerge dans l’air comme l’illustre la figure ci-contre.
L’angle d’incidence ⍜i1 du rayon sur la surface de séparation entre
les deux liquides du fond du récipient est de 30°.
Le faisceau lumineux est ensuite réfléchi totalement lorsqu’il touche
la surface horizontale qui sépare l’eau de l’air pour ensuite être à
nouveau réfracté à sa sortie de l’aquarium par le côté opposé de
celle-ci.
⍜r3 = ?
n4 = 1,00
Un faisceau lumineux provenant d’une source laser
pénètre dans un aquarium contenant de l’eau
par une de ses extrémités comme l’illustre la figure
ci-contre.
n3 = 1,20
n2 = 1,50
n1 = 1,30
⍜r2 = ?
⍜i(min) = ?
n(eau) = 1,33
⍜i1 = 30°
A) Sous quel angle ⍜i minimum le faisceau doit-il pénétrer dans l’aquarium pour être
réfléchi de la sorte?
Démontrez que, quelle que soit la nature des liquides superposés, l’angle de réfraction
⍜r4 du rayon lumineux à sa sortie dans l’air aura toujours la même mesure.
B) Sous quel angle de réfraction le faisceau lumineux émerge-t-il de l’autre côté de
l’aquarium?
15
5
B) À quelle hauteur est située cette image?
Une personne observe une pièce de monnaie qui se
situe au fond d’un verre contenant l’équivalent de
10 cm d’eau. Deux rayons lumineux émergent de
l’eau. L’un parvient à son œil droit sous un angle de
réfraction de 40° et l’autre à son œil gauche sous un
angle de réfraction de 38°, ce qui lui permet de situer
l’image de la pièce de monnaie.
A) À quel endroit la personne perçoit-elle cette image de la pièce de monnaie?
⍜r1 = 38°
⍜r2 = 40°
10 cm
n(eau) = 1,33
16