نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2014: الفيزياء 2 - شعبة TSI لولوج مدارس المهندسين
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باختصار
هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2014)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.
- الجهة المنظمة
- المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية)
- الدرجة
- مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين
- التخصص
- الفيزياء 2
- الدورة
- 2014
- عدد الصفحات
- 8
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
📝 نص أسئلة النموذج (مستخرج آلياً من الصفحات الممسوحة)
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— صفحة 1 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI e On veillera à une présentation et une rédaction claires et soignées des copies. Il convient en particulier de rappeler avec précision les des questions abordées. e Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant clairement les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre. e Toutes les réponses devront être très soigneusement justifiées. e Si un résultat donné par l'énoncé est non démontré, il peut néanmoins être admis pour les questions suivantes. Ainsi, les diverses parties du problème sont relativement indépendantes entre elles. Spectromètre à fibre optique Le spectromètre numérique à fibre optique est un outil courant en énergétique pour analyser la lumière émise par un corps ou transmise à travers un milieu afin de déterminer certaines caractéristiques (température, composition, etc) du corps ou du milieu. Il est basé principalement sur les propriétés d’un système dispersif, le réseau plan. La lumière à analyser est transmise au spectromètre par l'intermédiaire d’une fibre optique. Un premier miroir sphérique concave (dit de collimation) permet de collimater le faisceau issu de la fente d’entrée et de le diriger avec le bon angle sur le réseau. La lumière diffractée par ce réseau est ensuite focalisée par un second miroir sphérique (dit de focalisation) vers une barrette CCD, sur laquelle se forme le spectre. La barrette CCD fournit un signal électrique reproduisant l'intensité lumineuse perçue par ses différents pixels. Ce signal analogique est ensuite converti en signal numérique. Les données sont alors traitées par un logiciel pour afficher la courbe d’intensité spectrale 7 (2). Dans ce problème, nous étudierons les différentes composantes du spectromètre numérique à fibre optique. Les différentes parties de ce problème sont largement indépendantes. 1. Miroir sphérique On considère un miroir sphérique concave (M) de focale 100mm, de centre C et de sommet S (figure 1). On rappelle que, dans les conditions de Gauss, la position d’un s-———m—Pm point objet A sur l’axe et celle de son image 1 2 1 A' sont reliées par la relation =+—==—. R SA SA' SC figure | 1.1. Où se trouvent les foyers objet F et image F' principaux du miroir 2 Donner l'expression de la distance focale du miroir définie par f, = SF'. En déduire la valeur numérique du rayon R du miroir. 1.2. Que se passe-t-il pour un rayon incident passant par C ? 1.3. On considère un petit objet AB dans un plan perpendiculaire à l’axe optique. Le point A est sur l’axe optique à la distance SA (SA ›2R) du Epreuve de Physique Il 1/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 2 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI sommet du miroir et le point B au-dessus de l'axe. Construire soigneusement l’image A'B' de AB par le miroir (M ٠ 1.4. Définir le grandissement transversal et l’exprimer en fonction de SA et de 1.5. L'objet AB , toujours perpendiculaire à l'axe optique, est tel que A =F". Faire la construction soignée et détaillée donnant son image par le miroir. 1.6. Faire une construction soignée et détaillée donnant l'image A'B' d'un objet AB situé à l'infini, perpendiculaire à l'axe optique, vu sous un angle a et tel que A se trouve sur l’axe optique. Déterminer la nature et la taille de l'image. 2. Réflexion totale On considère un rayon lumineux issu d’une radiation monochromatique et arrivant sur l’interface plane séparant deux milieux d’indices de réfraction différents (notés n, et م7 avec n, ›n, ) sous un angle d’incidence 1 i, par rapport à la normale à l’interface 0 figure 2 (figure 2). 2.1. Enoncer les lois de Snell-Descartes de la réfraction lumineuse. 2.2. Montrer que, pour n, ›n,, le rayon réfracté ne peut exister que si i, ‹i,. Au moyen de figures claires, exposer les différentes situations que l’on peut on observer. Que se passe-t-il si /,›i, P Donner l’expression de sin(i,) en fonction de n, et n, et calculer, en degré, la valeur numérique de i,. On donne n, =1,450 et n, =1,433. 3. Fibre optique La fibre optique à saut d’indice aine (figure 3) est formée d’un cœur cylindrique en plastique d’axe Oz, transparent, homogène et isotrope, de rayon a =3125mm et d’indice de ح. 51س سس سس سس م resciaprnamen figure 3 réfraction constant n, =1,450, entouré d’une gaine d’indice de réfraction constant n, =1,433. La face d'entrée de la fibre optique est plane, perpendiculaire à son axe de symétrie Oz et se trouve dans l’air d’indice de réfraction n, =1,000. Un rayon lumineux émis par une source monochromatique atteint la face d'entrée de la fibre en 0 , sous l'angle d'incidence 60. Les propriétés d’une fibre cylindrique à Epreuve de Physique Il 2/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 3 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI saut d'indice peuvent être analysées en bonne approximation en se limitant aux directions de propagation qui se trouvent dans un plan de symétrie de la fibre. 3.1. Justifier que le rayon lumineux transmis dans la fibre optique reste dans le même plan défini par la rayon entrant dans la fibre et l'axe Oz . 3.2. Montrer qu'un rayon lumineux qui se propage dans le cœur de la fibre se réfléchit totalement lorsqu'il atteint la gaine sous un angle d'incidence 71 supérieur ند ', =arcsin(—*) . Calculer numériquement ل ل 3.3. Pour qu'un rayon soit effectivement guidé dans la fibre optique, il faut que sa direction à l'entrée se situe dans un cône dit d'acceptance de demi angle au sommet 0. Exprimer littéralement et numériquement le demi angle d'ouverture 0, de ce cône. Donner l’expression de l'ouverture numérique ON de la fibre, définie par n,-sin(0,). 3.4. Quel est le devenir d’un rayon lumineux hors du cône d'acceptance ? 3.5. Faire un dessin du trajet ultérieur du rayon lumineux atteignant la face d'entrée de la fibre optique en 0 , sous l'angle d'incidence 0‹6, en faisant apparaître plusieurs réflexions. 3.6. On considère maintenant un rayon lumineux en dehors du cône d'acceptance de la fibre optique. Comme il frappe l'interface cœur/gaine à un angle inférieur à l’angle critique de réflexion sur cette interface, il peut pénétrer dans la gaine. À quelle condition peut-il se propager par réflexions totales à la surface extérieure de la gaine ? 3.7. Cette propagation donne naissance à un mode de propagation parasite, appelé mode de gaine. Ces modes sont généralement rapidement atténués, mais ils peuvent néanmoins être à l’origine de perturbations sur la fibre optique. Montrer, schéma à Jl’appui, que l’on peut les éliminer immédiatement, on entourant la gaine d’une enveloppe dont l’indice est supérieur à celui de la gaine. 4. Etude d'un réseau par réflexion On distingue les réseaux par transmission, pour lesquels les ouvertures sont des fentes transparentes, et les réseaux par réflexion pour lesquels les fentes sont remplacées par des miroirs. Un réseau (R) plan par réflexion de largeur utile figure 5 ! est constitué de N traits (bandes) réfléchissants de faible largeur par rapport à leur dimension perpendiculaire au plan de la figure (figure 5). Les traits parallèles sont équidistants de a (pas du 1 réseau). Le réseau comporte n - 600 rraitsmm” et plonge dans l'air dont l'indice sera pris égal à Epreuve de Physique Il 3/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 4 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI La fente d'entrée du spectromètre, supposée infiniment fine et parallèle aux traits du réseau, est éclairée sous incidence nulle par la lumière transmise par la fibre optique. 4.1. Qu'est-ce qu'un réseau de diffraction 2 Quel est son rôle 2 4.2. Quelle relation y a-t-il entre a et n ? 4.3. Les rayons issus de la fente d'entrée du spectromètre sont parallèles après réflexion sur le miroir de collimation. À quelle condition cela est-il réalisé ? On note م l'angle d'incidence des rayons lumineux sur le réseau, 'م leur angle de réflexion. Les angles sont orientés de la normale au réseau vers le rayon. 4.4. Déterminer, schéma à l'appui, la différence de marche 6 entre les rayons diffractés par deux traits consécutifs du réseau en fonction de .م ÿ'eta. 4.5. Pour quelles valeurs de 5 l’interférence des rayons diffractés est constructive ? En déduire que les angles p', d'ordre م dans lesquels on observe des maxima de lumière pour une longueur d’onde À donnée sont donnés par la relation : sin(p, )+sin(p)=npi. Commenter la direction de l’ordre O. 4.6. Quel est l'ordre maximal observable pour le réseau utilisé éclairé en incidence normale par une lumière de longueur d'onde 2 =589.3 nm ? 4.7. La fibre optique est maintenant éclairée par une source de lumière blanche de longueurs d’onde extrêmes À, =400nm et À, =800nm. Quels sont les angles p, et p, de diffraction d’ordre p=1 des deux longueurs d’onde extrêmes du visible ? On suppose que le réseau est éclairé sous incidence normale. 4.8. La partie interne du spectromètre est décrite dans la figure 6 pour un rayon lumineux sous incidence quelconque. On note (M,) et (M,) les miroirs respectivement de collimation et de focalisation. Capteur CCD (F,) figure 6 4.8.1. Dire, en justifiant, où doit placer le capteur CCD pour enregistrer le spectre de la lumière analysée. Epreuve de Physique Il 4/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 5 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI 4.8.2. Représenter alors sur un schéma les marches respectives des rayons rouge, jaune et bleu depuis la fente d'entrée jusqu' au capteur CCD. 4.8.3. Citez au moins 3 avantages du spectromètre à fibre optique et capteur CCD par rapport au montage qu'on utilise habituellement et utilisant un goniomètre pour visualiser des spectres en TP. 5. Capteur CCD 5.1. Principe d’un capteur CCD Le capteur CCD (Charge Coupled Device), interfacé à un ordinateur, réceptionne les différents faisceaux diffractés et fournit un signal électrique reproduisant l'intensité lumineuse perçue par ses pixels répartis sur une longueur L .Il est modélisé par un ensemble de photodiodes reliées à des capacités, puis à un registre à décalage par l'intermédiaire d'interrupteurs. On étudie dans cette partie la conversion du signal lumineux en signal électrique grâce à une photodiode. La figure 7-1 présente une modélisation simple de la caractéristique i =i(u) d'une photodiode idéale pour la convention de la figure 7-2. Afin d'utiliser la photodiode en capteur, on la polarise en inverse (i‹0 et u › 0( en l'insérant dans un montage comprenant un générateur de f.é.m U, et une résistance de protection r comme représenté sur la figure 8. Le courant inverse est proportionnel au flux lumineux surfacique ,ثم qui irradie la photodiode : 1, =k@, où k est la sensibilité de la diode. On suppose que cette sensibilité est indépendante de la fréquence de variation de @ , dans le domaine habituel de variation. flux lumineux ‘ figure 8 figure 7-2 5.1.1. La photodiode est-elle un capteur actif ou passif 2 5.1.2. Montrer que la photodiode ne peut être bien polarisée en inverse que si la résistance r est inférieure à une valeur limite n. Exprimer littéralement et numériquement 7, pour un éclairement ل =0,20mW em”. On donne k =50 uA.mW وا et U,=5,0V. Epreuve de Physique Il 5/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 6 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI Dans la suite, on suppose la condition 7 › ين vérifiée. La photodiode polarisée en inverse se comporte comme un générateur idéal de courant /, =k@, en parallèle avec une capacité C, . 5.1.3. Représenter le schéma équivalent du montage de la figure 8. 5.1.4. Etablir l’équation caractéristique de ce système linéaire. Quel est son ordre ? 5.1.5.On se place tout d'abord en régime statique ou quasi-statique (variations de flux #4 peu rapides). Donner alors l’équation reliant le flux lumineux لم avec la tension U mesurée. Définir le gain statique de ce dispositif. 5.1.6.La photodiode est maintenant éclairée par des signaux lumineux variables. Le schéma équivalent de la photodiode et de son V. 1 ë 2 Î ; conditionnement est présenté sur la figure 9. g 4 Déterminer la réponse harmonique du système définie par H جح figure 9 5.1.7. Calculer la fréquence de coupure à —3 dB et le gain maximal de ce dispositif sachant que r=1k© et que la capacité de la photodiode est C, 1077 ٠ 5.1.8. A quelle fréquence maximale peut-on utiliser ce dispositif pour une perte de moins de 1% par rapport au gain statique nominal ? 5.1.9. Calculer le temps d’établissement à 2 % de ce système. 5.2. Caractéristiques de la barrette CCD La barrette CCD linéaire du spectromètre à fibre optique étudié est constituée de N,, =2048 pixels répartis sur une longueur L =28,7 mm . Sa gamme spectrale est 200-900 nn . On suppose que seul le spectre d’ordre 1 est projeté sur la barrette CCD. 5.2.1. Calculer la taille #(P) d’un pixel. 5.2.2. Quel(s) type(s) de radiation(s) couvre la gamme spectrale du spectromètre étudié ? 5.2.3. On définit la résolution AA(P) d’un pixel en longueur d’onde par l’intervalle de longueur d’onde que couvre un pixel. Déterminer AA(P) en supposant que l'intervalle de longueur d’onde sur la gamme spectrale AA obtenue sur le capteur occupe v = 2048 pixels . 5.2.4. On définit arbitrairement la résolution R,, du spectromètre à fibre optique comme l'intervalle de longueur d’onde séparant 3 pixels, calculer la valeur de R, - 5.2.5.Citer deux facteurs qui pourraient limiter le pouvoir de résolution du spectromètre à fibre optique. Epreuve de Physique Il 6/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 7 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI 5.2.6. La barrette CCD est installée de telle façon que le premier pixel (n°1) reçoit la vibration de longueur d’onde A =200 nm et le dernier pixel (n°2048) reçoit la vibration de longueur d’onde 2 =900nm. Etablir la relation entre la longueur d’onde À et le n° de pixel x . 6. Spectre du blanc d’ordre supérieur On considère un interféromètre de Michelson idéal constitué d’un miroir plan fixe (M,), d’un miroir plan mobile (M,) réglable en translation et en inclinaison et d’une lame séparatrice (S,) semi- réfléchissante, non absorbante, d’épaisseur nulle, de facteurs de 80106 transmission et de réflexion égaux étendue à 0,5 et n’introduisant aucun (Sp)in déphasage. Cette lame fixe est figure 11 inclinée à 45° par rapport aux normales à (M,) et (M,) (figure L’interféromètre de Michelson est plongé dans l’air d’indice de réfraction égal à 1 et est réglé dans la configuration «contact optique». On incline le miroir mobile (M,) d’un petit angle a, et on éclaire l’interféromètre en lumière quasi-parallèle à l’aide d’une source étendue (S). Les franges d'interférence ainsi obtenues sont supposées localisées sur le miroir fixe (M,). On les projette sur un écran (E) à l'aide d'une lentille convergente (L) de distance focale image f,'=20 cm placée à la distance d - 7١ du miroir ) ٠ On rappelle l'expression de l'intensité lumineuse en un point P du plan de localisation en fonction de la différence de matche 6(P) en ce point I(P)= 2701+ 042 (( , À étant la longueur d'onde de la lumière éclairant l'interféromètre de Michelson et /, une constante. 6.1. Pourquoi éclaire-t-on l'interféromètre de Michelson avec une source étendue ? 6.2. A l’aide d’un schéma soigné du coin d'air formé par les deux miroirs (M,) et (M ',), image de (M,) à travers la séparatrice (S,), préciser les deux rayons qui interférent. 6.3. On note x la distance d'un point P sur (M,) à l’arête commune des miroirs (M,) et (M',). Exprimer la différence de marche 6(P) en fonction de x . Les interférences observées sont-elles des franges d'égale inclinaison ou d'égale Epreuve de Physique Il 7/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 8 — Concours National Commun - Session 2014 - Filière TSI épaisseur © Justifier votre réponse et déterminer l’expression de l’interfrange sur le miroir ) ٠ miroir 6.4. Quelle relation existe entre ; et l'interfrange sur l'écran (E) ? miroir écran 6.5. Afin de mesurer l’angle ممه on éclaire l'interféromètre de Michelson réglé en coin d’air par une source monochromatique de longueur d'onde dans le vide À =589,3nm . La mesure de l'interfrange sur l'écran donne ‘arm -5 MM. écran Calculer l’angle مه du coin d'air. 6.6. Le réglage précédent étant conservé, on éclaire maintenant l'interféromètre de Michelson par une source de lumière blanche. On centre la frange d'ordre O dite frange centrale. 6.6.1.Décrire en le justifiant l'aspect des franges que l’on voit sur l’écran (E). Justifier pourquoi on n'observe que quelques franges. 6.6.2. Comment repère-t-on la frange d’ordre O ? Est-elle blanche ou noire ? Si elle est noire, expliquer pourquoi. 6.6.3. Loin de la frange d’ordre O, les franges du coin d’air en lumière blanche disparaissent et l’on observe du « blanc d’ordre supérieur ». Justifier cette appellation. Comment distingue-t-on sur le plan spectral entre le blanc d’ordre supérieur et le blanc uniforme d'ordre O correspondant au contact optique (teinte plate) 2 6.7. On place, au point P' du plan de l'écran (ce dernier retiré), la fente du spectrophotomètre à fibre optique parallèlement aux franges. On observe des cannelures (absence de lumière). Expliquer ce que cela veut dire. Quelle relation existe-t-il entre la différence de marche 6 et la longueur d'onde d'une radiation visible absente du spectre ? 6.8. Le spectromètre étant étalonné comme indiqué dans la question 5.2.5, on observe des cannelures correspondant aux pixels x,=1293, x,=1109, x, =1012 et x, = 691. Calculer les longueurs d'ondes correspondantes. Epreuve de Physique Il 8/8 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com
✅ التصحيح المقترح
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Ce modèle est l'épreuve de Physique II du Concours National Commun (CNC), session 2014, filière TSI (classes préparatoires, accès aux écoles d'ingénieurs). Sujet unique en 8 pages : « Spectromètre à fibre optique », en six parties largement indépendantes : miroir sphérique, réflexion totale, fibre optique, réseau par réflexion, capteur CCD (photodiode + barrette), et interféromètre de Michelson en coin d'air. Voici une correction proposée, question par question, avec la numérotation du sujet.
💡 Conseil : les parties étant indépendantes, commencez par celles où les calculs sont directs (2, 3, 4.6–4.7, 5.1.7–5.1.9, 5.2, 6.5) : ce sont des points sûrs. Gardez au moins 3 chiffres significatifs dans les applications numériques.
1. Miroir sphérique
1.1. Pour un miroir sphérique, les foyers objet et image sont confondus : F = F', situés au milieu de [SC]. En posant SA → ∞ dans la relation de conjugaison : 1/SF' = 2/SC, donc f'1 = SF' = SC/2. Avec l'axe orienté comme sur la figure 1 (vers le miroir), le centre est devant le miroir : SC = −R et f'1 = −R/2. La focale vaut 100 mm en valeur absolue, d'où R = 2 × 100 = 200 mm (SC = −200 mm, SF' = −100 mm).
1.2. Un rayon passant par C arrive selon un rayon de la sphère, donc sous incidence normale : il est réfléchi sur lui-même (il repart en repassant par C).
1.3. Objet réel placé au-delà de C (|SA| > R). Construction avec deux rayons issus de B :
- le rayon passant par C revient sur lui-même ;
- le rayon parallèle à l'axe se réfléchit en passant par F' (ou : le rayon passant par F repart parallèle à l'axe).
Leur intersection donne B', et A' est le pied de la perpendiculaire à l'axe. L'image est réelle, renversée, plus petite que l'objet, située entre F' et C.
1.4. Grandissement transversal : γ = A'B'/AB. En utilisant le rayon issu de B qui se réfléchit au sommet S (symétrique par rapport à l'axe), les triangles SAB et SA'B' sont semblables avec angles opposés : γ = −SA'/SA. (Ici γ < 0 et |γ| < 1, cohérent avec 1.3.)
1.5. A ≡ F' (= F) : l'objet est dans le plan focal. Tous les rayons issus de B ressortent parallèles entre eux ; leur direction est donnée par le rayon BC, qui revient sur lui-même. Construction : tracer BC, puis le rayon issu de B parallèle à l'axe : il se réfléchit en passant par F' et ressort bien parallèle à (BC) (mêmes pentes AB/(R/2)). L'image est rejetée à l'infini, dans la direction de la droite (BC), vue sous l'angle α' tel que tan α' = AB/FC = AB/(R/2).
1.6. Objet à l'infini vu sous l'angle α : l'image se forme dans le plan focal, A' = F'. Le rayon issu de B passant par C n'est pas dévié (il revient sur lui-même) et coupe le plan focal en B'. Dans le triangle C F' B' : |A'B'| = FC · tan α ≈ (R/2)·α = f · α. L'image est réelle et renversée, de taille A'B' ≈ 100 mm × α (α en radians ; par exemple α = 0,01 rad donne A'B' = 1 mm).
2. Réflexion totale
2.1. Lois de Snell-Descartes pour la réfraction :
- le rayon réfracté est dans le plan d'incidence (plan formé par le rayon incident et la normale) ;
- n1 sin i1 = n2 sin i2 (angles mesurés par rapport à la normale).
2.2. sin i2 = (n1/n2) sin i1. Comme n1 > n2, cette valeur peut dépasser 1 : le rayon réfracté n'existe que si sin i1 ≤ n2/n1, soit i1 < i0 avec sin i0 = n2/n1. Trois situations à illustrer :
- i1 < i0 : rayon réfracté (s'écartant de la normale) + rayon réfléchi partiel ;
- i1 = i0 : rayon réfracté rasant (i2 = 90°) ;
- i1 > i0 : plus de rayon réfracté, réflexion totale : toute l'énergie est réfléchie.
A.N. : sin i0 = 1,433/1,450 = 0,9883, d'où i0 ≈ 81,2°.
3. Fibre optique
3.1. Le plan d'incidence à l'entrée contient le rayon et la normale à la face d'entrée, c'est-à-dire l'axe Oz : c'est un plan méridien (contenant l'axe). En tout point de l'interface cœur/gaine situé dans ce plan, la normale est radiale, donc contenue dans ce même plan. D'après la première loi de Descartes, le rayon réfléchi reste dans le plan d'incidence : de proche en proche, le rayon reste dans le plan défini par le rayon entrant et Oz.
3.2. À l'interface cœur (nc) / gaine (ng < nc), on applique 2.2 avec n1 = nc, n2 = ng : réflexion totale si i > i'0 = arcsin(ng/nc). A.N. : i'0 = arcsin(1,433/1,450) ≈ 81,2°.
3.3. À l'entrée en O : na sin θ = nc sin r, où r est l'angle de réfraction. Le rayon rencontre ensuite la gaine sous l'incidence i = 90° − r. Guidage si i > i'0, soit r < 90° − i'0, soit sin θ < (nc/na) cos i'0. Or cos i'0 = √(1 − ng²/nc²), d'où :
sin θ0 = √(nc² − ng²) / na et ON = na sin θ0 = √(nc² − ng²).
A.N. : ON = √(1,450² − 1,433²) = √0,04901 ≈ 0,221, d'où θ0 ≈ 12,8°.
3.4. Si θ > θ0, l'incidence sur la gaine est inférieure à i'0 : à chaque rencontre de l'interface, une partie de la lumière est réfractée dans la gaine. Après quelques réflexions, le rayon a perdu presque toute son énergie dans le cœur : il n'est pas guidé (il est perdu ou part dans la gaine, voir 3.6).
3.5. Dessin attendu : le rayon entre en O, se réfracte en se rapprochant de l'axe (angle r < θ), puis se propage en zigzag entre les deux bords du cœur, avec à chaque fois une réflexion totale sous l'incidence i > i'0 (angles égaux à chaque réflexion, trajet symétrique par rapport à l'axe).
3.6. Le rayon passe dans la gaine : nc sin i = ng sin ig, avec i = 90° − r, donc ng sin ig = nc cos r. La surface extérieure de la gaine est parallèle à l'axe : il y arrive sous la même incidence ig. Réflexion totale gaine/air si ng sin ig > na, soit nc cos r > na. Avec nc sin r = na sin θ :
condition : nc² − na² sin²θ > na², soit sin θ < √(nc² − na²)/na (avec θ > θ0). A.N. : √(1,450² − 1) = 1,05 > 1 : la condition est toujours vérifiée ; tout rayon entré hors du cône d'acceptance peut donc se propager dans la gaine par réflexions totales sur sa face extérieure.
3.7. Si l'enveloppe a un indice ne > ng, la réflexion totale à l'interface gaine/enveloppe est impossible (on passe vers un milieu plus réfringent : ng sin ig = ne sin ie a toujours une solution). Le rayon de gaine est réfracté dans l'enveloppe (en général absorbante) dès sa première rencontre avec elle : les modes de gaine sont éliminés immédiatement, tandis que les rayons guidés dans le cœur ne sont pas affectés. Le schéma montre le rayon traversant gaine puis enveloppe en se rapprochant de la normale.
4. Étude d'un réseau par réflexion
4.1. Un réseau de diffraction est un ensemble de N motifs diffractants identiques (fentes ou bandes réfléchissantes), parallèles et équidistants d'un pas a. Rôle : disperser la lumière — les directions des maxima d'interférence dépendent de λ, ce qui permet de séparer les radiations et d'analyser un spectre.
4.2. a = 1/n. A.N. : a = 1/600 mm ≈ 1,67 µm.
4.3. La fente d'entrée doit être placée au foyer principal objet du miroir de collimation (Mc).
4.4. Deux rayons parallèles frappent deux traits consécutifs distants de a. Avant le réseau, l'écart de chemin est a sin φ ; après réflexion, il est a sin φ'. Avec l'orientation imposée (angles orientés depuis la normale vers le rayon), les deux contributions s'ajoutent : δ = a (sin φ + sin φ'). (Schéma : tracer les projetés orthogonaux d'un point sur l'autre rayon, à l'aller et au retour.)
4.5. Interférences constructives si δ = pλ, p entier (ordre). D'où a(sin φ'p + sin φ) = pλ, et comme 1/a = n : sin φ'p + sin φ = n p λ. Ordre 0 : sin φ'0 = −sin φ, donc φ'0 = −φ : c'est la direction de la réflexion spéculaire (loi de la réflexion), indépendante de λ : l'ordre 0 ne disperse pas la lumière (toutes les couleurs y sont superposées).
4.6. Incidence normale (φ = 0) : |sin φ'p| = n |p| λ ≤ 1, donc |p| ≤ 1/(nλ) = 1/(6,00·105 × 589,3·10−9) = 2,83. Ordre maximal : p = 2.
4.7. Ordre 1, incidence normale : sin φ' = nλ.
- bleu : sin φ'B = 6·105 × 400·10−9 = 0,240, φ'B ≈ 13,9° ;
- rouge : sin φ'R = 0,480, φ'R ≈ 28,7°.
Le rouge est plus dévié que le bleu (inverse d'un prisme).
4.8.1. Après le réseau, chaque radiation forme un faisceau parallèle de direction propre. Le miroir de focalisation Mf fait converger chaque faisceau parallèle en un point de son plan focal image. Il faut donc placer la barrette CCD dans le plan focal du miroir Mf : chaque λ y donne une image nette de la fente en une position différente.
4.8.2. Schéma : un seul faisceau de la fente Fe jusqu'au réseau (toutes couleurs confondues, rendu parallèle par Mc) ; au réseau, il se sépare en trois faisceaux parallèles d'angles croissants bleu < jaune < rouge ; Mf les focalise en trois points distincts du capteur, dans l'ordre bleu, jaune, rouge.
4.8.3. Avantages (au moins trois) :
- acquisition instantanée de tout le spectre (pas de rotation de lunette, pas de lecture angle par angle) ;
- mesure quantitative de l'intensité I(λ), enregistrement et traitement numérique (étalonnage, moyennage, comparaison) ;
- appareil compact, sans pièce mobile, réglage fixe, peu sensible aux erreurs de lecture ;
- la fibre permet une mesure à distance ou sur une source difficile d'accès ;
- domaine spectral plus large que l'œil (UV et proche IR).
5. Capteur CCD
5.1. Principe d'un capteur CCD
5.1.1. Réponse probable : la photodiode est un capteur actif : elle convertit directement l'énergie lumineuse en grandeur électrique (création de paires électron-trou), et se comporte en source de courant Id = kφS. Remarque : dans le montage polarisé en inverse, elle reçoit aussi de l'énergie de U0 (u < 0, i < 0, convention récepteur) ; c'est pourquoi certains ouvrages la rangent selon le mode d'utilisation — justifiez votre choix par le principe physique.
5.1.2. Loi des mailles dans la figure 8 (cathode reliée à la borne + de U0) : u = −U0 − r i. Sur la partie inverse de la caractéristique, i = −Id, d'où u = −U0 + r Id. La polarisation inverse exige u < 0, soit r Id < U0 :
r < r0 = U0/Id = U0/(kφS). A.N. : Id = 50 µA·mW−1·cm² × 0,20 mW·cm−2 = 10 µA, d'où r0 = 5,0/10·10−6 = 500 kΩ. (Graphiquement : la droite de charge doit couper le palier horizontal i = −Id pour u < 0.)
5.1.3. Schéma équivalent : la photodiode est remplacée par un générateur de courant Id = kφS (orienté de l'anode vers la cathode à l'intérieur du dipôle, c'est-à-dire courant inverse) en parallèle avec Cd ; cet ensemble est en série avec r et U0. Pour les variations, U0 (source continue) se court-circuite et on obtient le schéma de la figure 9 : Id, Cd et r en parallèle.
5.1.4. Avec V la tension aux bornes de r (figure 9), la loi des nœuds donne Id = V/r + Cd dV/dt, soit :
r Cd dV/dt + V = r k φS(t) : équation différentielle linéaire du premier ordre, de constante de temps τ = r Cd.
5.1.5. En régime quasi statique, dV/dt ≈ 0 : V = r k φS. La tension mesurée est proportionnelle au flux (capteur linéaire). Gain statique : H0 = V/φS = r k.
5.1.6. En complexe : V(1/r + jCdω) = kφS, d'où H = r k / (1 + j r Cd ω), filtre passe-bas du premier ordre, de pulsation de coupure ωc = 1/(r Cd).
5.1.7. fc = 1/(2π r Cd) = 1/(2π × 103 × 10·10−9) ≈ 15,9 kHz. Gain maximal (obtenu en basse fréquence) : H0 = r k = 103 × 50·10−6 = 5,0·10−2 V par mW·cm−2 (soit 50 mV pour 1 mW·cm−2).
5.1.8. |H|/H0 = 1/√(1 + (f/fc)²) ≥ 0,99 ⟺ (f/fc)² ≤ 1/0,99² − 1 = 0,0203 ⟺ f/fc ≤ 0,1425. fmax ≈ 0,1425 × 15,9 kHz ≈ 2,27 kHz.
5.1.9. Réponse à un échelon : V(t) = V∞(1 − e−t/τ). À 2 % : e−t/τ = 0,02, donc t2% = τ ln 50 ≈ 3,9 τ. Avec τ = rCd = 10 µs : t2% ≈ 39 µs.
5.2. Caractéristiques de la barrette CCD
5.2.1. t(P) = L/Np = 28,7 mm / 2048 ≈ 14,0 µm.
5.2.2. 200–900 nm couvre : le proche ultraviolet (200–400 nm), tout le visible (400–800 nm) et le proche infrarouge (800–900 nm).
5.2.3. Δλ(P) = Δλ/Np = (900 − 200)/2048 ≈ 0,342 nm par pixel.
5.2.4. Réponse probable (définition « arbitraire » de l'énoncé, lue comme l'intervalle couvert par 3 pixels) : Rrés = 3 Δλ(P) ≈ 1,03 nm ≈ 1 nm. Si l'on compte l'écart entre le 1er et le 3e pixel (2 intervalles), on obtient 0,68 nm ; précisez la lecture retenue sur la copie.
5.2.5. Facteurs limitant la résolution (deux suffisent) :
- la largeur de la fente d'entrée (diamètre du cœur de la fibre) : son image sur le capteur couvre plusieurs pixels ;
- le nombre de traits éclairés du réseau (pouvoir de résolution λ/Δλ = pN) ;
- la taille des pixels et les aberrations des miroirs sphériques (conditions de Gauss imparfaites).
5.2.6. En supposant la dispersion linéaire sur la barrette (étalonnage aux deux extrémités) :
λ(x) = λ1 + (λ2 − λ1)(x − 1)/(2048 − 1) = 200 + 700 (x − 1)/2047 (λ en nm). Vérification : x = 1 → 200 nm ; x = 2048 → 900 nm.
6. Spectre du blanc d'ordre supérieur
6.1. Une source étendue est plus lumineuse. Avec une telle source, les franges ne sont plus visibles partout : elles sont localisées (ici au voisinage des miroirs pour le coin d'air), mais elles y restent bien contrastées, ce qui permet de les observer et de les projeter.
6.2. Schéma : (M1) et (M'2) forment un coin d'air d'angle α0 et d'arête commune Δ. Un rayon incident quasi normal se divise à la séparatrice : l'un se réfléchit sur M1, l'autre (équivalent) sur M'2. Les deux rayons qui interfèrent sont les deux réflexions d'un même rayon incident sur M1 et sur M'2 ; ils se recoupent pratiquement sur le coin, d'où la localisation sur M1.
6.3. Épaisseur du coin en P : e(P) = x tan α0 ≈ α0 x. En incidence quasi normale, aller-retour dans la lame d'air : δ(P) = 2e = 2 α0 x. δ ne dépend que de l'épaisseur locale : franges d'égale épaisseur, rectilignes et parallèles à l'arête. Deux franges brillantes consécutives correspondent à Δδ = λ : imiroir = λ/(2α0).
6.4. La lentille est à d = 2f'2 de M1 : l'image se forme à 2f'2 derrière la lentille avec un grandissement γ = −1. Donc iécran = imiroir (en valeur absolue).
6.5. α0 = λ0/(2 imiroir) = λ0/(2 iécran) = 589,3·10−9/(2 × 5·10−3) ≈ 5,9·10−5 rad (environ 12″ d'arc).
6.6.1. On voit une frange centrale (arête du coin) encadrée de quelques franges colorées rectilignes, parallèles à l'arête, symétriques (teintes de Newton). L'interfrange λ/(2α0) dépend de λ : les systèmes de franges des différentes couleurs coïncident en δ = 0 puis se décalent rapidement (brouillage). Au-delà de quelques interfranges (δ de quelques µm, de l'ordre de la longueur de cohérence de la lumière blanche), le contraste disparaît : on n'observe que quelques franges.
6.6.2. La frange d'ordre 0 (δ = 0, sur l'arête) est la seule achromatique : toutes les longueurs d'onde y sont en phase ; c'est la frange centrale de la figure, de part et d'autre de laquelle les couleurs se disposent symétriquement. Avec la séparatrice idéale de l'énoncé (aucun déphasage), elle est blanche. Dans un appareil réel, elle peut être noire : les deux voies ne subissent pas les mêmes réflexions sur la séparatrice (réflexion côté air pour l'une, côté verre pour l'autre), ce qui ajoute un déphasage supplémentaire de π entre elles ; δ = 0 devient alors une interférence destructive pour toutes les λ.
6.6.3. Loin de l'arête, δ est grand : pour un δ donné, les radiations éteintes (δ = (p + ½)λ) sont nombreuses et réparties régulièrement sur tout le spectre (en 1/λ). L'œil reçoit encore un mélange de toutes les couleurs et perçoit du blanc : c'est un « blanc » d'interférences d'ordre élevé. Distinction : au spectroscope, le blanc d'ordre supérieur donne un spectre cannelé (bandes noires), tandis que le blanc de la teinte plate au contact optique (δ = 0 partout) donne un spectre continu, sans cannelure.
6.7. Une cannelure est une longueur d'onde absente du spectre : en P', les deux ondes de cette radiation interfèrent de façon destructive. Condition : δ = (p + ½) λ, p entier, soit λ = δ/(p + ½).
6.8. L'étalonnage utilisé est celui de la question 5.2.6 (relation λ(x) ; l'énoncé renvoie à « 5.2.5 », ce qui est une erreur de renvoi). λ = 200 + 700(x − 1)/2047 :
| Pixel x | Calcul | λ (nm) |
|---|---|---|
| x1 = 1293 | 200 + 700 × 1292/2047 | ≈ 642 |
| x2 = 1109 | 200 + 700 × 1108/2047 | ≈ 579 |
| x3 = 1012 | 200 + 700 × 1011/2047 | ≈ 546 |
| x4 = 691 | 200 + 700 × 690/2047 | ≈ 436 |
(Avec λ = 200 + 700x/2048 on trouve les mêmes valeurs à 0,2 nm près.)
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المصدر: مباريات ولوج المدارس والمعاهد العليا
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