BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE Session 2011 Épreuve : OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE Partie Théorique Série SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS

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Niveau: Secondaire, Lycée
11OEPLME1 1 BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE Session 2011 Épreuve : OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE Partie Théorique Série SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS Durée de l'épreuve : 3 heures coefficient : 5 L'usage de la calculatrice est autorisé. Le sujet comporte 9 pages numérotées de 1 à 9. Annexe page 9 Documents réponses pages 6 à 8 Les documents réponses sont à joindre à la copie

  • vapeur de sodium

  • oculaire

  • image du cratère lunaire

  • micromètre objectif

  • écran d'observation

  • longueur correspondant

  • distance focale

  • lunette

  • atomes d'hélium

  • expression littérale


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Source : ac-aix-marseille.fr
Nombre de pages : 9
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BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE Session 2011
 page 9
Les documents réponses sont à joindre à la copie
coefficient : 5
SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE
Partie Théorique
PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET
Épreuve :
OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE
1
Durée de l'épreuve : 3 heures
Le sujet comporte 9 pages numérotées de 1 à 9.
DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Documents réponses
Annexe
 pages 6 à 8
Série
11OEPLME1
11OEPLME1
PHYSICO- CHIMIE (4 points) Il y a 50 ans naissait le premier LASER. Dans un laser, on déclenche l'émission de photons en cascade après avoir excité les atomes d'un milieu. -34 Données : constante de Planck h = 6,63×10 J.s 8 -1 célérité de la lumière dans le vide c = 2,998×10 m.s -19 électron-volt 1 eV = 1,60×10 J élément H He N O Ne Al chimique numéro 1 2 7 8 10 13 atomique 1. L’ammoniac NH3a été utilisé dans les premiers lasers. a. Donner les configurations électroniques des atomes d’azote et d’hydrogène dans leur état fondamental.
b. Expliquer la formation de la molécule d’ammoniac à l’aide du modèle des cases quantiques.
c. Donner la représentation de Lewis de cette molécule. 2. En 1961 apparait le premier laser à gaz, le laser hélium-néon. a. A quelle famille d’éléments chimiques appartiennent l’hélium et le néon ? Les atomes d'hélium sont excités par pompage optique et passent du niveau d'énergie fondamentale E0niveau excité E au 3. Ces atomes d’hélium entrent en collision avec les atomes de néon qui sont portés à leur tour au niveau excité E2(voir annexe 1). Ces atomes de néon se désexcitent alors au niveau E1 en produisant des photons : c’est la transition laser. b. Représenter la transition laser sur le diagramme présenté sur le document réponse 1, à rendre avec la copie.
c.
Préciser si la transition laser correspond à un phénomène d’émission ou d’absorption. Répondre à la même question pour le pompage optique.
d. Calculer la longueur d’onde des photons émis par ce laser hélium-néon sachant que : E2- E1= 1,96 eV.
e.
Préciser le domaine de longueur d’onde (UV, correspondant. S’il s’agit du visible, préciser la couleur.
2
visible,
infrarouge)
OPTIQUE (16 points)
Partie I : Étude d’une lunette astronomique d’observatoire
1.
11OEPLME1
Les questions 1, 2 et 3 sont indépendantes et peuvent êtres traitées séparément.
Étude de l’oculaire de la lunette
L’oculaire utilisé pour l’observation est assimilable à un doublet de lentilles minces L1 et L2. On note f1’ la distance focale image de la première lentille, f2celle de la deuxième lentille et e la distance entre les centres optiques O1et O2.
f’ocdésigne la distance focale image de l’oculaire étudié.
O O 1 2 Le symbole de l’oculaire est (4 ; 5 ; –1). On notea112,0 cmle paramètre 5 d’échelle.
a. Donner les expressions des grandeurs f1’, f2’ et e en fonction de a. Calculer les valeurs de f1’, f2’ et e.
b. Donner l’expression de la distance focale f’ocen fonction de l’intervalle optique de l’oculaire, puis en fonction de a. Calculer la valeur de f’oc.
c. Sur le document réponse 2, à rendre avec votre copie, placer les foyers F1, F’1, F2et F’2. Déterminer par construction les positions des foyers objet et image de l’oculaire respectivement notés Focet F’oc, ainsi que les points principaux objet et image de l’oculaire respectivement notés Hocet H’oc
Une construction soignée à l’échelle est attendue.
' ' d. Donner les expressions littérales de F F et F F en fonction du paramètre 2 oc 1 oc d’échelle a. Calculer leurs valeurs numériques. Vos résultats sont-ils compatibles avec votre construction ?
e. L’oculaire étudié est-il un oculaire positif ou négatif ? Justifier votre réponse.
f. L’oculaire étudié est-il un oculaire convergent ou divergent ? Justifier votre réponse.
g. L’oculaire étudié est-il achromatique apparent ? Justifier votre réponse.
3
2. Etude de l’objectif de la lunette
11OEPLME1
L’objectif de la lunette astronomique est un achromat constitué de deux lentilles accolées : une lentille L1vergence V (de 1) équiconvexe et une lentille L2 (de vergence V2) qui est un ménisque concave. La distance focale de l’objectif de la lunette est f’obj= 10 m.
a. Dessiner l’achromat en faisant apparaitre clairement la forme des deux lentilles.
b. Calculer la vergence Vobjde l’objectif de la lunette.
c. Ecrire la relation entre V1, V2et Vobjainsi que la condition d’achromatisme.
On donne les valeurs des constringences des verres des deux lentilles : υ1= 50 etυ2= 40
d. En déduire les valeurs des vergences V1 et V2 des deux lentilles de l’achromat.
e. Laquelle des deux lentilles est-elle une lentille convergente ? Justifier votre affirmation.
3. Etude de la lunette On associe l’objectif de distance focale f’obj= 10 m avec un oculaire de distance focale f’oc= 4,0 cm. La lunette est rendue afocale. Un observateur emmétrope observe l’image du cratère lunaireCopernicà travers la lunette. a. Où se situe le punctum remotum d’un observateur emmétrope? Calculer l’amplitude dioptrique pour cet observateur si son punctum proximum est situé à 25 cm.
b. Que signifie le terme « lunette afocale » ? Où se situe l’image intermédiaire du cratère ?
c. Sur le document réponse 3, à rendre avec votre copie, construire, le trajet du rayon représenté à travers la lunette afocale. (L’objectif et l’oculaire sont modélisés par des lentilles minces, sans souci d’échelle.)
d. Montrer que la valeur du grossissement de la lunette dans ces conditions d’utilisation vaut G = 250.
4
11OEPLME1
-2 A travers la lunette, le cratèreCopernicrad.est vu sous un angle de 6,05 x 10 e. Calculer la valeur du diamètre apparent du cratère Copernic vu à l’œil nu depuis la Terre. En déduire le diamètre de ce cratère sachant que la distance Terre-Lune est : DT-L= 384 000 km.
Partie II : Interférences lumineuses
Dans le cas d’observation d’une étoile double, la lunette précédemment étudiée ne permet pas de distinguer deux parties distinctes. On utilise alors des techniques interférométriques. Pour observer le phénomène d’interférences lumineuses au laboratoire, un élève utilise un dispositif de bifentes d’Young, une lampe à vapeur de sodium, une fente source réglable et un écran d’observation. 1. Faire un schéma du dispositif permettant d’observer les interférences lumineuses.
2. Quel est le rôle de la fente source réglable dans ce dispositif ?
Afin de déterminer l’écart a entre les fentes, l’élève place le dispositif des bifentes d’Young sous un microscope muni d’un oculaire micrométrique. L’oculaire micrométrique est étalonné au préalable avec un micromètre objectif pour lequel une longueur de 1 mm recouvre 100 graduations. (Voir annexe 4) 3. Utiliser leschéma 1de l’annexe pour déterminer la longueur correspondant à une graduation de l’oculaire micrométrique.
4.
Utiliser leschéma 2de l’annexe pour en déduire l’écart a entre les fentes du dispositif.
L’écran d’observation est placé à la distance D = 1,00 m des bifentes et celles-ci sont éclairées par une lampe à vapeur de sodium de longueur d’ondelNa= 589,3 nm
5. Calculer la valeur de l’interfrange de la figure d’interférences obtenue sur l’écran. Qu’observe-t-on si on éloigne l’écran des fentes ?
6. Comment est modifiée la figure d’interférences si l’écart entre les bifentes d’Young est deux fois plus grand ?
5
Document réponse 1
A RENDRE AVEC LA COPIE
11OEPLME1
Transitions électroniques mises en jeu lors du fonctionnement du LASER
E
He
E3
E0
pompage optique
6
Ne
transition laser
E2
E1
Document réponse 2
Doublet équivalent à l’oculaire de la lunette
7
L1
11OEPLME1 échelle : 1 carreau pour 1 cm
A RENDRE AVEC LA COPIE
L2
Document réponse 3
objectif
Trajet d’un rayon à travers la lunette afocale
8
Foc
11OEPLME1
A RENDRE AVEC LA COPIE
oculaire
ANNEXE
11OEPLME1
Schéma 1 : Etalonnage de l’oculaire à l’aide d’un micromètre objectif
noc
30
20
10
micromètre oculaire
60
50
40
30
20
10
micromètre objectif
Schéma 2 : Mesure de l’écart a entre les fentes
30
20
10
a
9
Nob
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