Physique – Les ondes – BAC SM 2017

Physique :

▹ Les ondes :

▸ Diffraction d’une lumière monochromatique,
▸ Niveaux d’énergie d’un atome.

On s’intéresse dans cet exercice à l’étude de certaines propriétés de la lumière rouge émise par un laser hélium-néon (He-Ne). Dans l’air, la longueur d’onde de cette lumière est 𝜆 = 633nm.

Données :

– Célérité de la lumière dans l’air : c = 3.10⁸m.s^-1 ;
– Constante de Planck : h = 6,63.10^-34J.s ;
– 1eV = 1,6022.10^-19J ;
– Pour les petits angles : tan θ ≈ θ où θ est exprimé en radian.

1- Diffraction de la lumière monochromatique émise par le laser hélium-néon (He-Ne) :

Pour déterminer la largeur a d’une fente d’un diaphragme, on utilise la lumière rouge monochromatique émise par le laser hélium-néon. Pour cela, on réalise l’expérience schématisée sur la figure 1.

On éclaire la fente de largueur a par le faisceau laser et on observe des taches lumineuses sur un écran placé à une distance D de la fente. Ces taches sont séparées par des zones sombres. La largeur de la tache centrale est l.

1-1- Choisir la proposition juste parmi les affirmations suivantes :

a) Dans le verre, la lumière se propage avec une vitesse plus grande que dans l’air.
b) L’écart angulaire est : 2θ = 𝜆/a
c) La fréquence de la lumière émise par le laser hélium-néon est 𝑣 = 4,739.10¹⁴Hz.
d) L’écart angulaire est plus grand si on remplace la lumière rouge par une lumière violette.

1-2- Dans le cas des petits angles, établir l’expression de la largeur a en fonction de D, l et 𝜆.

Pour une distance D = 1,5m on mesure la largeur de la tache centrale et on trouve l = 3,4cm. Calculer a.

1-3- On modifie la distance entre la fente et l’écran en prenant D = 3m. Calculer la valeur de l’écart angulaire et celle de la largeur de la tache centrale.

2- Etude de la radiation émise par le laser He-Ne :

2-1- Calculer, en électron-volt (eV), l’énergie du photon associée à la lumière rouge émise.
2-2- La figure 2 représente un diagramme simplifié des niveaux d’énergie de l’atome de néon.

La radiation de longueur d’onde 𝜆 = 633nm émise par le laser He-Ne est due au passage de l’atome du néon Ne du niveau d’énergie E_n au niveau d’énergie E_p.

Déterminer E_n et E_p.