La préparation à l’examen national de physique passe inévitablement par la maîtrise des exercices ondes électromagnétiques 2ème bac. Ces séries de travaux dirigés (TD) en PDF sont calibrées pour les filières 2bac sciences physique, 2bac sciences maths et 2bac svt. L’objectif est de vous entraîner sur des applications incontournables : l’exploitation de la figure de diffraction (pour calculer une longueur d’onde ou l’épaisseur d’un fil), l’utilisation des indices de réfraction, et la décomposition de la lumière blanche par un prisme.
1. L’étude classique de la diffraction par un fil ou une fente
C’est de loin le problème le plus fréquent à l’examen. Les exercices décrivent une expérience où un laser de longueur d’onde λ éclaire un fil de diamètre “a” placé à une distance D d’un écran. Sur l’écran se forme une tache centrale de largeur L.
Pour garantir tous vos points, la démarche est très standardisée pour les élèves de 2bac sciences physique :
- Rappeler la formule de l’écart angulaire : θ = λ / a.
- Utiliser l’approximation trigonométrique : Indiquer que tan(θ) = (L/2) / D. Comme θ est très petit, tan(θ) ≈ θ, donc θ = L / (2D).
- Lier les deux expressions : L / (2D) = λ / a. C’est l’équation maîtresse qui permet de déduire n’importe laquelle de ces quatre grandeurs si les trois autres sont connues.
Le piège à éviter : Faites extrêmement attention aux conversions d’unités ! La longueur d’onde λ est souvent en nanomètres (1 nm = 10⁻⁹ m), la largeur de la fente a en micromètres (1 µm = 10⁻⁶ m) ou en mm, tandis que L est en cm et D en mètres. Tout doit être ramené en mètres avant le calcul final !
2. Les calculs d’indice de réfraction et de célérité
Un autre bloc d’exercices très classique, particulièrement pour 2bac sciences maths, s’articule autour de la traversée de milieux transparents différents (passage de l’air au verre, ou de l’air à l’eau).
Le principe de base repose sur deux certitudes :
- La fréquence de l’onde (f) ne change jamais, c’est l’identité de la radiation lumineuse.
- La vitesse (v) et la longueur d’onde (λ) changent selon le milieu : v = c / n et λ = λ₀ / n.
L’énoncé vous donnera, par exemple, la vitesse de la lumière dans un bloc de verre et vous demandera d’en déduire l’indice de réfraction du verre (n), puis de calculer la nouvelle longueur d’onde de la radiation dans ce milieu pour identifier si la couleur perçue change (rappel : la couleur perçue par notre œil est liée à la fréquence, non à la longueur d’onde, donc la couleur ne change pas !).
3. La dispersion de la lumière par le prisme
Plus redouté par les élèves de 2bac svt, l’exercice du prisme de verre met en évidence le phénomène de dispersion. La lumière blanche (polychromatique) est décomposée en un spectre coloré continu car l’indice de réfraction du verre n’est pas le même pour toutes les fréquences. (Le milieu est dit “dispersif”).
Les formules fondamentales du prisme s’écrivent :
- sin(i) = n . sin(r)
- sin(i’) = n . sin(r’)
- A = r + r’
- D = i + i’ – A
Où A est l’angle du prisme et D l’angle de déviation. Ces relations de Snell-Descartes doivent être appliquées avec beaucoup de soin, et nécessitent l’utilisation du mode “Degrés” de votre calculatrice.
Il est impératif de se confronter à ces situations mathématiques en rédigeant ses réponses au brouillon avant de consulter les solutions. C’est l’objectif de ces séries PDF corrigées et non corrigées.
