Chapitre 1

Exercices
1.1
Les ondes
1 Le chapeau de Coralie, emporté par le vent, échoue au milieu de l’étang. Pour aider
Coralie à le récupérer, Simon frappe la surface de l’eau en espérant que les vagues
qu’il provoque poussent le chapeau vers la berge. Que pensez-vous de cette stratégie ?
Exemple de réponse : Cette stratégie est inefficace. Une onde transporte de l’énergie sans déplacer
le milieu dans lequel elle se propage. Il est donc impossible que les vagues, à elles seules, poussent
le chapeau de Coralie vers la berge.
2
Observez l’illustration suivante.
Amplitude (m)
Déplacement (m)
16
Reproduction interdite
a)Tracez une onde dont l’amplitude est le double de celle de l’onde illustrée.
Amplitude (m)
Exercices | Chapitre
1
Déplacement (m)
L’OPTIQUE
EXERCICES
1
3
Reproduction interdite
4
Exercices | Chapitre
Amplitude (m)
b) Tracez une onde dont la longueur d’onde est le double de celle de l’onde illustrée.
Déplacement (m)
Le sommet de la plupart
des gratte-ciel oscille
lentement. Quelle est la
fréquence des oscillations
d’un gratte-ciel qui met
10 s à effectuer un
mouvement complet
de va-et-vient ?
f 
1 oscillation
10 s
 0,1 oscillation/s
 0,1 Hz
Réponse : La fréquence des oscillations du gratte-ciel est de 0,1 Hz.
Les deux ondes illustrées ci-dessous voyagent
à la même vitesse.
y
a) Laquelle de ces ondes a la plus grande
amplitude ?
Onde 2
Aucune. Les deux ondes ont la même
Onde 1
amplitude.
x
b)Laquelle a la plus grande longueur d’onde ?
Expliquez votre réponse.
L’onde 2. La longueur d’onde de l’onde 2 correspond à 12 graduations horizontales, tandis que
celle de l’onde 1 correspond à 6 graduations horizontales.
c) Laquelle a la plus grande fréquence ? Expliquez votre réponse.
L’onde 1. D’après l’équation v  f, pour une vitesse donnée, la fréquence est inversement
proportionnelle à la longueur d’onde.
EXERCICES
CHAPITRE 1
| LES ONDES ET LA LUMIÈRE
17
1
5 Quelles sont l’amplitude et la longueur d’onde
de l’onde illustrée ?
(60 m  10 m)
2
 25 m
A
y (m)
Exercices | Chapitre
  6 m – 0 m
  6 m
60
40
20
–6
–4
–2
2
4
6
x (m)
Réponse : L’amplitude de l’onde est de 25 m
et sa longueur d’onde est de 6 m.
6
Si le cœur d’Étienne bat 78 fois en 1 minute, quelle est la fréquence de ses
battements cardiaques en hertz ?
78 battements
60 s
 1,3 battement/s
f 
 1,3 Hz
Réponse : La fréquence de ses battements cardiaques est de 1,3 Hz.
1. f  ?
2. Nombre de vagues  15
d  4,5 m
t  5,5 s
d
t
v  f
3. v 
D’où f 
Reproduction interdite
7 Assise dans un canot de 4,5 m de longueur, Sarah regarde les vagues venir
vers elle. De l’avant jusqu’à l’arrière du canot, elle compte 15 vagues complètes
(c’est-à‑dire 15 longueurs d’onde). Chaque vague prend 5,5 s pour parcourir
la longueur du canot. Quelle est la fréquence des vagues ?
4,5 m
 0,818 m/s
5,5 s
4,5 m

 0,30 m (car il y a 15 vagues dans 4,5 m)
15
0,818 m/s
f 
 2,73 Hz
0,30 m
4. v 
v

Réponse : La fréquence des vagues est de 2,7 Hz.
18
L’OPTIQUE
EXERCICES
8
1
En regardant son réveille-matin, Julien s’exclame : « Je
peux te voir, mais pourquoi ne puis-je pas t’entendre ? »
Expliquez pourquoi Julien n’entend pas la sonnerie de
son réveille-matin.
Exercices | Chapitre
Le réveille-matin de Julien est placé dans une cloche
de verre sous vide. Les ondes mécaniques (le son) ne se
propagent pas dans le vide, contrairement aux ondes
électromagnétiques (la lumière).
9
À quelle catégorie d’ondes les éléments suivants appartiennent-ils ?
Cochez la bonne colonne.
Élément
Ondes mécaniques
Ondes électromagnétiques
X
Un lecteur de codes-barres
X
Le tonnerre
X
X
Un éclair (causé par la foudre)
Un arc-en-ciel
X
Un ouragan
X
L’énergie thermique
X
Un ultrason
Reproduction interdite
10 Le
21 juillet 1969, Neil Armstrong a été le premier astronaute à mettre le pied
sur la Lune. Il a alors prononcé la célèbre phrase : « Un petit pas pour l’homme,
un grand pas pour l’humanité. » La Lune étant située à 3,84  105 km de la Terre
et les ondes radio voyageant à 3,0  108 m/s, combien de temps s’est-il écoulé
entre l’émission de cette communication radio et sa réception sur Terre ?
1. t  ?
2. d 3,84  105 km ou 3,84  108 m
v  3,0 x 108 m/s
3,84  108 m
3,0  108 m/s
 1,28 s
4.t
d
t
d
D’où t 
v
3. v 
Réponse : Il s’est écoulé 1,3 s entre l’émission de la communication radio et sa réception sur Terre.
EXERCICES
CHAPITRE 1
| LES ONDES ET LA LUMIÈRE
19
1
Exercices
La lumière
Exercices | Chapitre
1.2
1 Les ondes radio et les rayons ultraviolets sont des ondes électromagnétiques,
au même titre que la lumière rouge et la lumière bleue. Dans ce cas, pourquoi
ne peut-on pas les voir ?
Parce que l’œil humain n’est sensible qu’à la partie du spectre électromagnétique qui correspond
à la lumière visible.
2 Qu’est-ce qui prouve que la lumière peut voyager dans le vide ?
On peut voir le Soleil, la Lune et les étoiles à travers le vide de l’espace.
3 Qu’obtenez-vous en multipliant la fréquence d’une couleur de la lumière visible par
sa longueur d’onde ?
La vitesse de la lumière.
4 Les illustrations ci-contre montrent deux façons
de représenter graphiquement la propagation
de la lumière.
a) Que représentent les traits jaunes
dans chacune des illustrations ?
A
B
Dans l’illustration A, les traits jaunes
représentent les fronts d’onde (les crêtes de
Reproduction interdite
l’onde qui se propage). Dans l’illustration B, les
traits jaunes représentent les rayons lumineux (la direction de la propagation de l’onde).
b) Quelle est, dans chaque cas, la direction de l’énergie transportée par l’onde
de lumière par rapport aux traits jaunes ?
Dans l’illustration A, l’énergie se propage perpendiculairement aux traits jaunes (fronts d’onde).
Dans l’illustration B, l’énergie se propage parallèlement aux traits jaunes (rayons).
c) Vrai ou faux ? Lorsqu’on se trouve très loin d’une source lumineuse, les fronts
d’onde deviennent des droites parallèles entre elles, et les rayons lumineux sont
également parallèles entre eux. Expliquez votre réponse.
Vrai. Lorsqu’on se trouve très loin de la source lumineuse, la courbure des fronts d’onde devient
imperceptible, et on peut les représenter par des droites parallèles entre elles. Les rayons, qui
sont toujours perpendiculaires aux fronts d’onde, deviennent également parallèles entre eux.
EXERCICES
CHAPITRE 1
| LES ONDES ET LA LUMIÈRE
25
A
B
C
L’illustration C. Les rayons lumineux provenant d’une source très éloignée nous parviennent de
façon parallèle.
6 Indiquez si chaque objet de la liste constitue un milieu opaque, translucide ou transparent.
Objet
Milieu
Un vase en terre cuite
Opaque.
Une boîte de carton
Opaque.
Une feuille de papier blanc
Opaque ou translucide.
Un pare-brise d’auto
Transparent.
De la crème de brocoli
Opaque.
Le film de protection d’un écran d’ordinateur
Transparent.
Un vêtement de soie
Opaque ou translucide.
L’air ambiant
Transparent.
Une vitre givrée
Translucide.
Un miroir dans un dépanneur
Opaque
Un bécher en pyrex
Transparent.
Le vitrail d’une église
Translucide.
Reproduction interdite
Exercices | Chapitre
1
5 Parmi les illustrations suivantes, laquelle représente le mieux les rayons du Soleil
tels que nous les recevons sur Terre ? Expliquez votre réponse.
7 Expliquez pourquoi une vitre exposée aux rayons du Soleil devient moins chaude
qu’une route goudronnée.
Une route goudronnée est sombre et absorbe donc une bonne partie de la lumière. Une large part
de cette lumière est transformée en énergie thermique, ce qui fait augmenter la température. La vitre
étant faite de verre transparent, elle absorbe très peu de lumière et, par conséquent, très peu de
cette lumière est transformée en chaleur.
26
L’OPTIQUE
EXERCICES
1
Exercices
1
Exercices | Chapitre
Synthèse du chapitre 1
Un téléphone cellulaire émet à la fréquence de 854 MHz. (Rappel : le préfixe M
signifie « méga » et correspond à un million, c’est-à-dire 106.) À quel type d’ondes
électromagnétiques cette fréquence appartient-elle ?
D’après le spectre électromagnétique de la figure 1.8, cette fréquence se trouve à la jonction des
ondes radio et des micro-ondes.
2 Dans les films de science-fiction, on entend souvent des bruits d’explosion dans
l’espace. Que pensez-vous de cette mise en scène ?
Elle est irréaliste, car le son est une onde mécanique ; il ne peut se déplacer que dans un milieu
matériel (comme dans l’air, l’eau ou le métal). Il ne peut donc pas se propager dans le vide
de l’espace.
3 À l’aide des données de la figure, trouvez l’amplitude, la longueur d’onde,
la fréquence et la vitesse de l’onde représentée. Dans le coin inférieur droit,
un chronomètre indique le temps écoulé (en s).
Sens de propagation
de l’onde
24 mm
 12 mm
2
  10 mm  2  20 mm
8 mm
v
 4 mm/s
2s
v  f A
Reproduction interdite
24 mm
v

4 mm/s
20 mm
D’où f 
f
8 mm
 0,2 Hz
10 mm
L’amplitude est de 12 mm.
La longueur d’onde est de 20 mm.
La fréquence est de 0,2 Hz.
La vitesse est de 4 mm/s.
EXERCICES
CHAPITRE 1
| LES ONDES ET LA LUMIÈRE
29
1. t  ?
2. v  3,0  108 m/s
d  9,0  1018 m
d
t
d
D’où t 
v
3. v 
4. t
9,0  1018 m
 3,0 x 1010 s
3,0  108 m/s
10
Réponse : L’émission parviendrait sur cette autre planète au bout de 3,0  10 s, soit environ 950 ans.
5
Les ultraviolets peuvent être divisés en trois catégories : les UVA (dont les
longueurs d’onde sont comprises entre 320 nm et 400 nm), les UVB (dont
les longueurs d’onde sont comprises entre 280 nm et 320 nm) et les UVC
(dont les longueurs d’onde vont de 100 nm à 280 nm). À quelle catégorie
appartient une onde électromagnétique dont la fréquence est de 7,9  1014 Hz ?
La vitesse des ultraviolets est de 3,0  108 m/s.
1.   ?
3. v  f
2. v 3,0  108 m/s
f  7,9  1014 Hz
D’où  
4. 
v
f
3,0  108 m/s
 3,8  10–7 m ou 380 nm
7,9  1014 Hz
Reproduction interdite
Exercices | Chapitre
1
4 Les émissions de radio et de télévision sont émises par des ondes radio. Elles se
propagent donc dans le vide intersidéral à la vitesse de la lumière, soit 3,0  108 m/s.
Supposons qu’il existe une civilisation extraterrestre sur une planète située à
9,0  1018 m de la nôtre et qu’on veuille lui transmettre une émission en direct.
Au bout de combien de temps l’émission parviendrait-elle sur cette autre planète ?
Réponse : Cette onde électromagnétique appartient à la catégorie des UVA.
6
Sur quelle fréquence (en MHz) devez-vous régler votre poste de radio pour
syntoniser une station dont le signal a une longueur d’onde de 3 m ? La vitesse
des ondes radio est de 3,0  108 m/s.
1. f  ?
3. v  f
2.  3 m
v  3,0  108 m/s ou 300 000 000 m/s
D’où f 
4. f 
v

300 000 000 m/s
 100 000 000 Hz
3 m
ou 100 MHz
Réponse : Je dois régler mon poste de radio à 100 MHz pour syntoniser cette station.
30
L’OPTIQUE
EXERCICES
1
Exercices | Chapitre
7 Les lignes de transmission d’Hydro-Québec sont parcourues par un courant
alternatif oscillant à 60 Hz et émettent des ondes électromagnétiques ayant la
même fréquence. Quelle est la longueur d’onde de ces ondes électromagnétiques ?
La vitesse d’une onde électromagnétique est de 3,0  108 m/s.
1.   ?
2. f  60 Hz
v  3,0  108 m/s
v
3. v = f, d’où  
f
4.  
3,0  108 m/s
60 Hz
  5,0  106 m
6
Réponse : La longueur d’onde de ces ondes électromagnétiques est de 5,0  10 m (ou de 5000 km).
8 Quel type d’ondes électromagnétiques permet d’effectuer chacune
des actions suivantes ?
a) Décongeler ou faire cuire des aliments. Les micro-ondes.
b) Voir à l’intérieur du corps.
Les rayons X.
c) Lire un livre.
La lumière visible.
d) Maintenir au chaud les poussins
d’une couvée.
Les infrarouges.
e) Soigner certains cancers.
Les rayons gamma.
Reproduction interdite
f) Converser avec un téléphone cellulaire. Les micro-ondes.
9 Au cours d’un tremblement de terre, un sismographe enregistre des ondes
sismiques se propageant à une vitesse de 5 km/s et ayant une fréquence
de 10 Hz. Quelle est la longueur d’onde de ces ondes ?
1.   ?
2. v  5 km/s ou 5000 m/s
f  10 Hz
3. v  f
D’où  
5000 m/s
10 Hz
 500 m
4.  
v
f
Réponse : Ces ondes ont une longueur d’onde de 500 m.
EXERCICES
CHAPITRE 1
| LES ONDES ET LA LUMIÈRE
31
piano donne un son (la note sol) dont la longueur d’onde est de 0,875 m.
Si le son voyage à 343 m/s dans l’air, quelle est la fréquence de cette note ?
Exercices | Chapitre
343 m/s
0,875 m
 392 Hz
1. f  ?
4. f
2.  0,875 m
v  343 m/s
3. v  f D’où f 
v

Réponse : La fréquence de la note émise est de 392 Hz.
11 Les
crêtes de l’onde représentée sur l’illustration se déplacent de 5,0 m en 4,0 s.
Quelle est la fréquence de l’onde ?
y (m)
0,4
0,2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5 x (m)
-0,2
-0,4
4.À partir de l’illustration, je calcule la distance entre deux points
semblables consécutifs de l’onde (deux sommets, par exemple)
et j’obtiens la longueur d’onde, soit   0,5 m.
5,0 m
v
4,0 s
 1,25 m/s
1. f  ?
2. d 5,0 m
t 4,0 s
d
3. v 
t
v  f
D’où f 
Reproduction interdite
1
10 Un
v

1,25 m/s
0,5 m
 2,5 Hz
f 
Réponse : La fréquence de l’onde est de 2,5 Hz.
32
L’OPTIQUE
EXERCICES
1
12 Si la vitesse d’une onde demeure constante mais que sa fréquence augmente,
la distance entre les fronts d’onde augmente-t-elle ou diminue-t-elle ? Expliquez
votre réponse.
La distance diminue, car elle correspond à la longueur d’onde. D’après l’équation v  f, pour
Exercices | Chapitre
une vitesse donnée, la longueur d’onde diminue si la fréquence augmente.
13 Michelle se trouve au pôle Nord en voyage d’exploration. Elle appelle une amie à Gatineau à partir d’un téléphone satellitaire. Combien de temps s’écoule-t-il entre
le moment où Michelle entame la conversation et le moment où son amie perçoit
ses paroles ? Les satellites géostationnaires servant aux communications orbitent
à une altitude de 35 800 km. (On suppose que la distance entre le pôle Nord et
Gatineau est négligeable par rapport à la distance du satellite.)
1. t  ?
2. d 35 800 km ou 3,58  107 m
v 3,0  108 m/s (vitesse des ondes radio)
d
t
d
D’où t 
v
3 v 
4. Temps pour effectuer le trajet Terre-satellite
et satellite-Terre :
3,58  107 m
t
2
3,0  108 m/s
 0,119 s  2
 0,238 s
Reproduction interdite
Réponse : Il s’écoule 0,24 s.
14 L’énergie
d’une onde électromagnétique est proportionnelle à sa fréquence.
De quelle façon l’énergie varie-t-elle dans le spectre visible lorsqu’elle passe
du rouge au violet ?
Comme la fréquence du violet est supérieure à celle du rouge, l’énergie augmente continuellement
en passant du rouge au violet.
15 Pourquoi
un toit noir devient-il plus chaud au soleil qu’un toit blanc ?
Un toit noir réfléchit peu la lumière qui l’atteint : il l’absorbe et absorbe en même temps une partie
de son énergie. Un toit blanc réfléchit une grande partie de la lumière et absorbe donc peu d’énergie.
EXERCICES
CHAPITRE 1
| LES ONDES ET LA LUMIÈRE
33
1
Exercices | Chapitre
Les ultrasons sont des ondes sonores de haute fréquence. Une onde ultrasonique
se propage dans l’eau à une vitesse de 1,50 km/s et a une longueur d’onde
équivalente à celle d’une onde lumineuse dont la fréquence est de 2,50  1014 Hz
dans le vide. Quelle est la fréquence de cette onde ultrasonique ? La vitesse de
la lumière dans le vide est de 3,00  108 m/s.
1. f2  ? (fréquence de l’onde ultrasonique)
2. v2 1,50 km/s ou 1,50  103 m/s (vitesse
de l’onde ultrasonique dans l’eau)
f1  2,50  1014 Hz (fréquence de l’onde
lumineuse dans le vide)
v1 3,00  108 m/s (vitesse de la lumière
dans le vide)
3. v  f
D’où  
v
v
et f  .

f
4.Puisque l’onde lumineuse et l’onde ultrasonique
ont la même longueur d’onde, je peux poser
que : 1  2.
Je cherche d’abord la longueur d’onde
de l’onde lumineuse.
v1
1 f
1
3,00  108 m/s

2,50  1014 Hz
 1,20  10–6 m
Je peux maintenant trouver la fréquence
de l’onde ultrasonique.
v2
f2 
2
1,50  103 m/s

1,20  10–6 m
 1,25  109 Hz
9
Réponse : La fréquence de l’onde ultrasonique est de 1,25  10 Hz (ou 1250 MHz).
2
Louis veut écouter une partie de hockey diffusée à la radio. Il syntonise une station
dont la fréquence est de 730 kHz. S’il se trouve à 50 km de l’antenne émettrice,
combien de longueurs d’onde le signal comportera-t-il, de l’antenne jusqu’au poste
de radio ?
1.Nombre de longueurs d’onde entre l’antenne
et le poste de radio  ?
2. f  730 kHz, soit 730 000 Hz ou 7,3  105 Hz
v  3,0  108 m/s
d  50 km, soit 50 000 m ou 5,0  104 m
3. v  f
v
D’où  
f
4.Le nombre de longueurs d’onde
correspond à la distance totale divisée
par la longueur d’onde :
d
d
 v

f
f
d
v
7,3  105 Hz
 (5,0  104 m) 
3,0  108 m/s
 121,6667
( )
Réponse : Le signal comportera 122 longueurs d’onde.
34
L’OPTIQUE
EXERCICES
Reproduction interdite
1
Défis du chapitre 1