Images et lumière en Terminale
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de images et lumière pour les élèves de Terminale. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Lunette astronomique afocale : grossissement
- Modèle particulaire : le photon, E = hν
- Effet photoélectrique et seuil d'extraction
- Dualité onde-corpuscule de la lumière
Lunette astronomique afocale et grossissement
Une lunette astronomique afocale est un instrument optique composé de deux lentilles convergentes qui permet d'observer les astres en agrandissant leur image. Elle est dite afocale car l'image finale est à l'infini, ce qui permet à l'oeil de l'observer sans fatigue.
Exemple
Quand tu observes la Lune ou Jupiter avec une lunette astronomique, tu vois l'objet beaucoup plus gros qu'à l'oeil nu. C'est le même principe que les jumelles ou les télescopes utilisés par les astronomes.
À retenir : Le grossissement d'une lunette afocale est $G = -\frac{f_1}{f_2}$ où $f_1$ est la distance focale de l'objectif et $f_2$ celle de l'oculaire.
Le photon : modèle particulaire de la lumière
Le photon est la particule élémentaire de la lumière. Contrairement aux ondes classiques, la lumière se comporte aussi comme un flux de petites particules appelées photons, chacun transportant une énergie bien définie.
Exemple
Quand tu appuies sur l'interrupteur, les photons émis par l'ampoule voyagent jusqu'à tes yeux. Chaque photon porte une énergie qui dépend de sa couleur : les photons bleus ont plus d'énergie que les photons rouges.
À retenir : L'énergie d'un photon est donnée par la relation $E = h\nu$ où $h$ est la constante de Planck et $\nu$ la fréquence.
Relation énergie-fréquence : E = hν
Cette formule fondamentale relie l'énergie d'un photon à sa fréquence. Plus la fréquence est élevée, plus le photon transporte d'énergie. La constante de Planck $h = 6,63 \times 10^{-34}$ J·s est une constante universelle.
Exemple
Un photon de lumière ultraviolette (haute fréquence) a beaucoup plus d'énergie qu'un photon de lumière infrarouge (basse fréquence). C'est pourquoi les UV peuvent brûler ta peau alors que l'infrarouge ne fait que la réchauffer.
À retenir : Mémorise $h = 6,63 \times 10^{-34}$ J·s et sache que $E = h\nu = h\frac{c}{\lambda}$ avec $c = 3 \times 10^8$ m/s.
Effet photoélectrique et seuil d'extraction
L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau lorsqu'il est éclairé par de la lumière. Le seuil d'extraction est la fréquence minimale (ou l'énergie minimale) nécessaire pour arracher un électron au matériau.
Exemple
Les cellules photovoltaïques des panneaux solaires fonctionnent grâce à l'effet photoélectrique : les photons du Soleil arrachent des électrons du silicium, créant un courant électrique qui recharge tes appareils.
À retenir : L'énergie minimale pour extraire un électron est $W = h\nu_0$ où $\nu_0$ est la fréquence seuil ; si $\nu < \nu_0$, aucun électron n'est émis.
Dualité onde-corpuscule de la lumière
La lumière possède une double nature : elle se comporte à la fois comme une onde (avec longueur d'onde, fréquence, interférences) et comme un flux de particules (photons avec énergie et quantité de mouvement). Le comportement observé dépend de l'expérience réalisée.
Exemple
Dans une fente de diffraction, la lumière se comporte comme une onde et crée des franges. Mais dans l'effet photoélectrique, elle se comporte comme des particules qui arrachent des électrons. C'est la même lumière, mais deux facettes différentes.
À retenir : La lumière est onde ET particule selon le contexte : $E = h\nu$ (particule) et $c = \lambda\nu$ (onde) sont deux faces de la même réalité.
Les points clés
- Un photon est une particule de lumière d'énergie $E = h\nu$ proportionnelle à sa fréquence
- La lunette astronomique afocale grossit avec $G = -\frac{f_1}{f_2}$ et permet d'observer les astres sans fatigue oculaire
- L'effet photoélectrique ne se produit que si la fréquence dépasse le seuil $\nu_0$ : $h\nu \geq W$
- La lumière possède une dualité onde-corpuscule : elle est à la fois onde et particule selon le contexte d'observation
L'essentiel
La lumière est constituée de photons d'énergie $E = h\nu$ ; elle se comporte comme une onde ou une particule selon l'expérience, et seuls les photons d'énergie suffisante peuvent arracher des électrons (effet photoélectrique).
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un photon ultraviolet a une fréquence de $\nu = 1,0 \times 10^{16}$ Hz. Calcule son énergie en joules, puis en électronvolts (1 eV = $1,6 \times 10^{-19}$ J). Sachant que le seuil d'extraction du zinc est 3,8 eV, ce photon peut-il arracher un électron au zinc ?
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Une lunette astronomique afocale a un objectif de distance focale $f_1 = 1,0$ m et un oculaire de distance focale $f_2 = 2,0$ cm. Calcule le grossissement. Si tu observes une planète qui sous-tend un angle de 0,01 radian à l'oeil nu, quel angle apparent verra-t-on à travers la lunette ?
Corrige cet exercice avec le tuteur →