Polycopié des exercices.

Faculté de physique
Année universitaire
2010 - 2011
USTHB
L1
LICENCE SNV
Par
MS. MAALEM et A. BOUHENNA
EXERCICES
DE
PHYSIQUE

USTHB
Faculté de physique Exercices d’optique L1-SNV
MS. MAALEM et A. BOUHENNA Coordinateurs
Ex. n°1: Citer quelques systèmes optiques, d'usage courant.
Ex. n°2: Dans les configurations ci-dessous, (S) représente un système optique et les points A et B sont
conjugués à travers (S). Préciser la nature: objet ou image, réel ou virtuel des points A et B.
Ex. n°3: Dans les systèmes optiques (S1) et (S2), ci-dessous, préciser la nature (objet ou image et réel ou
virtuel, des points A, B, C, D, E et F.
Ex. n°4: Les systèmes optiques suivants sont-ils stigmatiques?
Ex. n°5: On considère les cas de figure ci-après.
1°- Préciser les positions de l'objet, A, et de son image A'.
2°- Préciser la nature de A et celle de B.
3°- construire le faisceau réfléchi.
Ex. n°6: A travers un système de miroirs, vous pouvez voir les yeux d'une autre personne. Est-il possi-
ble à cette personne de voir vos yeux? justifiez votre réponse.
F
OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE: GÉNÉRALITÉS ET MIROIR PLAN
(1)

USTHB
Faculté de physique Exercices d’optique L1-SNV
MS. MAALEM et A. BOUHENNA Coordinateurs
Ex. n°7: On considère un miroir plan de trace MN, un point objet A et l'oeil O d'un observateur, dans les
cas de figure ci-après.
1°- construire les images A' et O' de A et O, données par le miroir.
2°- L'oeil O voit-il l'image A' ? Si oui, construire le rayon lumineux qui par de A et qui atteint O, après
s'être réfléchi sur le miroir.
Ex. n°8: Les miroirs plans M1et M2, de la figure ci-contre, sont perpendicu-
laires. Construire le rayon lumineux, issu de A et qui passe par B, après réflexion sur
les deux miroirs.
Ex. n°9: un observateur est placé a 2 (m) d'un miroir plan vertical.
1°- Quelle distance le sépare de son image?
2°- Il s'éloigne de 50 (cm); que devient la distance qui le sépare de son image?
3°- Il revient à sa position initiale, puis on éloigne le miroir de 50 (cm). De combien se déplace son
image par rapport à lui ? Conclusion.
Ex. n°10: Sur un sol horizontal, à 15 (m) du pied d'un arbre, se trouve une petite flaque d'eau. Un ob-
servateur, dont les yeux sont à 1,5 (m) du sol, doit se placer à 2 (m) de cette flaque d'eau pour voir le sommet
de l'arbre par réflexion. Déterminer la hauteur de l'arbre.
Ex. n°11: Un rayon lumineux aborde un miroir plan sous une incidence de 50°.
1°- Quelle est la déviation subie par le rayon lumineux.
2°- On fait tourner le miroir de 20° dans le plan qui contient le rayon incident et la trace du miroir. De
quel angle a tourné le rayon réfléchi et dans quel sens ? Quelle est la nouvelle déviation du rayon lumineux in-
cident?
3°- Un petit miroir plan est exposé au soleil. La lumière réfléchie frappe perpendiculairement un mur, dis-
tant de 6 (m) du miroir. On fait tourner le miroir de 2°. De combien se déplace la tâche lumineuse su le mur.
Ex. n°12: Deux miroirs plans M1et M2font entre eux un angle α. Un rayon lumineux incident, porté par
le plan perpendiculaire à leur arête commune, subit deux réflexions successives.
1°- Exprimer la déviation totale, subie par le rayon lumineux.
2°- Examiner les cas où: α=0° , α= 45° et α=60°.
3°- Quel doit être la valeur de l'angle αpour que le rayon lumineux ressorte parallèle à lui même mais
dans le sens contraire?
Ex. n°13: Un miroir plan a la forme d'un disque, circulaire et de rayon 6 (cm). Il est placé parallèlement
à un écran, situé à une distance de 10 (m). Une source ponctuelle de lumière S est placée, sur l'axe du miroir
et à 1 (m) de ce dernier. Sachant que S est entre la miroir et l'écran, déterminer le diamètre du disque formé par
les rayons réfléchis sur l'écran.
Ex. n°14: Un miroir rectangulaire, de 6 (cm) de longueur et de 4 (cm) de largeur, est parallèle à un mur,
situé à 3 (m) de lui. Entre le mur et le miroir, et sur l'axe de ce dernier, on place une source ponctuelle de lu-
(2)

USTHB
Faculté de physique Exercices d’optique L1-SNV
MS. MAALEM et A. BOUHENNA Coordinateurs
mière à 40 (cm) du miroir. Déterminer la surface du rectangle lumineux, obtenu sur le mur.
Ex. n°15: Un objet AB de 20 (cm) est placé devant un miroir plan, incliné de 60° par rapport au plan-
cher horizontal (Cf. Figure).
1°- Construire l'image O'A' du segment de droite OA, puis déterminer son
inclinaison par rapport au plancher .
2°- Construire l'image A'B' de AB, puis déterminer les positions de A' et
de B' par rapport au plancher.
La distance de A à O vaut 1,732 (m).
Ex. n°1: Construire, dans chacun des cas de figure ci-dessous, la suite du rayon incident (le rayon réfracté
ou réfléchi). Préciser, pour chaque cas, les valeurs des angles d'incidence, i, et de réfraction, r, (ou de réflexion,
i',). Le rapport n1/n2est supposé égal à 0,5.
Ex. n°2: Un poteau, vertical et de hauteur h=2,7 (m), est planté au bord d'un bassin de profondeur H=1,8
(m). les rayons du soleil qui le frappent, font un angle de 42° avec la verticale. Calculer l'ombre portée du po-
teau sur le fond du bassin dans les cas suivants:
1°- Le bassin est vide.
2°- Le bassin est rempli d"eau (n=4/3).
Ex. n°3: Un récipient contient, sur une hauteur de 10 (cm), un liquide supposé, transparent, de masse vo-
lumique ρ=1,2 (g/cm3) et d'indice de réfraction n=2. Au fond du récipient se trouve une source ponctuelle de
lumière S.
1°- Calculer le rayon R1de la surface libre du liquide, traversée par les rayons lumineux issus de S.
2°- On ajoute, dans le récipient et sur une hauteur de 18 (cm), un autre liquide transparent, de masse vo-
lumique ρ=0,9 (g/cm3) et d'indice de réfraction n'=1,25.
2.1- Calculer l'angle limite de réfraction à la surface libre du liquide (l'indice de réfraction de l'air est sup-
posé égal à 1).
2.2- En déduire la valeur de l'angle d'incidence i1sur la surface de séparation des deux liquides.
2.3- Calculer le rayon R2de la surface libre, traversée par la lumière.
Ex. n°4: On fait flotter sur l'eau un disque, mince , opaque, de rayon R=5 (cm) et contenant en son cen-
tre une aiguille plongeant verticalement dans l'eau. L'aiguille est invisible pour toute position de l'oeil au des-
sus de la surface libre de l'eau. Quelle est la longueur maximale l0de l'aiguille.
Ex. n°5: Dans un bloc de verre d'indice de réfraction N=1,5, on taille un cube de section médiane ABCD.
Sur la face BC, supposée horizontale, on dépose une goutte de liquide d'indice de réfraction n inconnu, puis on
éclaire la face AB.
OPTIQUE GÉOMÉTRIQUE: DIOPTRE PLAN
(3)

USTHB
Faculté de physique Exercices d’optique L1-SNV
MS. MAALEM et A. BOUHENNA Coordinateurs
1°- Exprimer, en fonction de N et de n, l'angle d'incidence r0,sur la face BC, au delà duquel il y a ré-
flexion totale.
2°- Quelle est la fourchette des indices de réfraction que l'on peut mesurer avec cette méthode?
Ex. n°6: Un bloc de verre d'indice de réfraction 1,5 a la forme d'un demi cylindre; sa section droite est
un demi disque (AOBC), circulaire et de rayon R=6 (cm). un faisceau parallèle de lu-
mière frappe la face plane AB, sous une incidence normale et la couvre entièrement.
1°- Déterminer la largeur l0du faisceau incident qui émerge du bloc.
2°- Quelle est la largeur x0de la bande lumineuse, observée sur un écran, pa-
rallèle à la face AB et distant de 40 (cm) d'elle.
Ex. n°7: On se placera dans les conditions de stigmatisme approché. Dans les configurations ci-des-
sous, les points A et B sont conjugués. Quelle est leur nature? Remarque.
Ex. n°8: Un objet lumineux A se trouve au fond d'un récipient, sous 8 (cm) d'eau (n=4/3).
1°- Quelle est la position et la nature de l'image de A, pour un observateur placé à la verticale de l'objet?
2°- Tracer la marche d'un pinceau lumineux, issu de A et atteignant l'oeil de l'observateur.
3°- On verse au dessus de l'eau une couche de benzène, d'épaisseur 12 (cm) et d'indice de réfraction 1,5.
Reprendre les questions précédentes.
Ex. n°9: L'oeil A d'un poisson est situé à 60 (cm) de la surface libre de l'eau. A sa verticale, se trouve un
pêcheur dont l'oeil B est à 90 (cm) de la surface de l'eau (n=4/3).
1°- A quelle distance, de la surface de l'eau, le pêcheur voit-il l'oeil A du poisson ?
2°- A quelle distance, de la surface de l'eau, le poisson voit-il l'oeil B du pêcheur ?
3°- tracer, dans chaque cas, la marche d'un pinceau lumineux qui permet à l'un de voir l'oeil de l'autre.
Ex. n°10: Un observateur, dont l'oeil est à 25 (cm) au dessus d'un miroir plan horizontal, regarde son
image. Le miroir plan, en question, se trouve au fond d'une cuve. Dans quel sens et de combien se déplacera
son image, si on verse dans la cuve 10 (cm) d'eau (n=4/3).
Ex. n°11: Déterminer la position du miroir plan qui est équivalent à un miroir plan recouvert d'une couche
d'eau (n=4/3) d'épaisseur 10 (cm).
Ex. n°12: Une cuve, dont le fond horizontal est un miroir plan, contient de l'eau sur une épaisseur de 12
(cm). A 9 (cm) au dessus de la surface libre, on place une source ponctuelle S de lumière.
1°- Déterminer les positions des images, successives, de S données par le système. En déduire leur na-
ture.
2°- Tracer la marche d'un rayon lumineux émis par S, qui pénètre dans l'eau, se réfléchi sur le miroir
avant d'émerger.
Ex. n°13: Montrer qu'une glace, argentée sur l'une de ses faces, d'épaisseur 12 (mm) et d'indice de ré-
(4)