John Abbott College · 203-SN3-RE

Tutorat 203-SN3-RE à John Abbott : ondes et physique moderne

Un problème d'ondes devient souvent plus clair lorsqu'on identifie ce qui oscille, comment la perturbation se propage et quelles grandeurs restent constantes. En physique moderne, il faut aussi savoir quand utiliser une description ondulatoire et quand raisonner avec l'énergie des photons. Nablio vous aide à relier ces idées aux équations et à travailler les étapes difficiles de vos problèmes du cours 203-SN3-RE.

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Cette page est en français. Les séances de tutorat sont actuellement offertes en anglais.

Notions à travailler

Oscillations et ondes progressives : interpréter amplitude, période, fréquence, longueur d'onde et vitesse de propagation.
Ondes sur une corde et dans l'air : relier la situation physique au modèle d'onde.
Optique : comprendre les figures d'interférence et de diffraction.
Physique moderne : utiliser les notions de photon et d'onde de matière dans des problèmes d'introduction à la physique atomique et nucléaire.

Choisir le modèle avant la formule

Pour un problème d’ondes, relevez les données et demandez-vous si la fréquence de la source, le milieu ou les conditions aux limites ont changé. Pour un photon, utilisez $E=hf=hc/\lambda$ , où $E$ est son énergie, $f$ sa fréquence, $\lambda$ sa longueur d’onde dans le vide, $h$ la constante de Planck et $c$ la vitesse de la lumière dans le vide. L’intensité lumineuse mesure l’énergie reçue par unité de surface et de temps; ce n’est pas l’énergie d’un photon.

Exemple résolu : cette lumière peut-elle éjecter un électron ?

Une lumière de longueur d'onde 400 nm éclaire un métal dont le travail d'extraction vaut $\phi=2{,}20\,\mathrm{eV}$ . Trouvez l'énergie cinétique maximale des électrons émis et la valeur absolue du potentiel d'arrêt. Utilisez $hc\approx1240\,\mathrm{eV\cdot nm}$ et le modèle photoélectrique à un photon.

Calculez l'énergie d'un photon : $E=\frac{hc}{\lambda}=\frac{1240}{400}=3{,}10\,\mathrm{eV}$ .
Comparez cette énergie au travail d'extraction. Comme 3,10 eV dépasse 2,20 eV, l'émission est possible.
Notons $K_{\max}$ l’énergie cinétique maximale d’un électron émis. Soustrayez le travail d’extraction, soit l’énergie nécessaire pour quitter le métal : $K_{\max}=E-\phi=3{,}10-2{,}20=0{,}90\,\mathrm{eV}$ .
Notons $V_s$ la valeur absolue du potentiel d’arrêt et $e$ la valeur absolue de la charge de l’électron. Utilisez $eV_s=K_{\max}$ . Un électronvolt (eV) est la variation d’énergie d’une charge de valeur absolue $e$ soumise à une différence de potentiel d’un volt. Ainsi, $0{,}90\,\mathrm{eV}$ correspond à $V_s=0{,}90\,\mathrm{V}$ .
Vérifiez la longueur d'onde seuil : $\lambda_0=\frac{hc}{\phi}=\frac{1240}{2{,}20}\approx564\,\mathrm{nm}$ . La longueur d'onde incidente de 400 nm est plus courte, ce qui est cohérent avec l'émission.

À longueur d'onde fixe, une intensité plus élevée peut augmenter le nombre d'électrons émis par seconde, mais pas $K_{\max}$ dans ce modèle. Si l'énergie de chaque photon est insuffisante, augmenter seulement l'intensité ne permet pas de franchir le seuil.

À vous de jouer

Pour le même métal, comparez une lumière de 500 nm à une lumière de 600 nm. Y a-t-il émission dans chaque cas ? Lorsqu'il y en a, trouvez $K_{\max}$ et la valeur absolue du potentiel d'arrêt.

Voir la solution expliquée

À 500 nm, $E=1240/500=2{,}48\,\mathrm{eV}$ . Donc $K_{\max}=0{,}28\,\mathrm{eV}$ et $V_s=0{,}28\,\mathrm{V}$ . À 600 nm, $E\approx2{,}07\,\mathrm{eV}$ est inférieur à 2,20 eV : aucun photoélectron n'est émis dans ce modèle. Une différence négative ne donne pas une énergie cinétique négative; elle indique que le seuil n'est pas atteint.

Exemple et exercice originaux de Nablio, sans affiliation au collège. Ils ne proviennent pas d’une évaluation du cours. Suivez le plan actuel de votre section pour la matière à réviser.

Exercices facultatifs sur les oscillations d’un ressort

Si vous travaillez les oscillations d’un ressort pour le cours 203-SN3-RE de John Abbott, cette leçon complémentaire montre comment la position et la vitesse initiales déterminent le mouvement.

Apportez l'énoncé et votre question

Apportez votre schéma, votre graphique ou votre calcul. La séance peut servir à choisir le modèle, à écrire l'équation et à vérifier les unités, puis à résoudre vous-même un problème semblable.

Nous travaillons sur des exercices autorisés sans réaliser de travaux évalués ni d’examens à votre place.

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