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The translation of “Problemes corrig` ´es de M ecanique et r´ ´esum es de cours De´ Lagrange a Hamilton”, published by Grenoble Sciences in partnership with EDP` Sciences, was performed by: Bernard SILVESTRE-BRAC and Anthony John COLE, Senior researcher at the CNRS, Grenoble, France Front cover illustration: composed by Alice GIRAUD
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Solved Problems in Lagrangian and Hamiltonian Mechanics
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confronter des exercices, soit plus complets (car faisant appel plusieurs notions), soit plus difÞciles EnÞn, le dernier chapitre propose des probl mes de concours dont cer-tains ne sont abordables quÕ la Þn du cours sur lÕoptique physique Les trois chapitres (3, 6 et 7) relatifs aux TP Cours proposent des exercices
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© Nathan,classe prépa
Cet ouvrage fait partie de la collection " Classe prépa », une collection d'ouvrages simples et accessibles couvrant l'ensemble des programmes des classes préparatoires aux Grandes Écoles scientifiques.Élaborée pour aider les élèves à surmonter leurs difficultés, cette collec-tion est basée sur une approche pragmatique des programmes. Ainsi,chaque chapitre est constitué de cinq rubriques :
• Retenir l'essentiel qui reprend les notions indispensables du cours et indique des conseils pour éviter les erreurs les plus fréquentes ; • Avant la colle qui regroupe des QCM et des exercices d'application immédiate pour vérifier les connaissances ; • Savoir résoudre les exercices qui, sur la base d'exercices " classiques », permet aux élèves de développer les méthodes indispensables en prépa : analyse de l'énoncé, démarche à suivre, réflexes à acquérir... • S'entraîner qui regroupe par ordre de difficultés croissantes une bat- terie d'exercices ; • Corrigés où l'ensemble des exercices sont corrigés en détails et com- mentés.Crédit photographique
Plats II et III de couverture ; © Sylvain HouardCoordination éditoriale : Isabelle Ravilly
Composition : Alpha-Edit
Couverture : Marie-Astrid Bailly-Maître
Maquette intérieure : Thierry Méléard
© Nathan, 2007 - ISBN 978-2-09-160328-5À
David, Mathieu, Maëlis
À tous mes élèves, passés, présents et futurs© Nathan,classe prépa
Avant-propos
Il est difficile pour un étudiant de faire la synthèse de ses connaissances et de se les approprier pour les réutiliser à bon escient. Cet ouvrage est un outil pour l'aider à aller à l'essentiel, à tester ses con- naissances et à approfondir progressivement les notions fondamentales de l'optique physique dans un cadre le plus expérimental possible. La rubrique " Retenir l'essentiel » respecte les nouveaux programmes de deuxième année (2004). " Avant la colle » propose des questions et des exercices qui testent les " réflexes » de l'étudiant. Elle est indispensable et l'étudiant peut ainsi s'assurer qu'il possède les connaissances minimales du chapitre. Il doit avoir retenu l'essentiel du cours et doit répondre vite et de manière concise. Cette étape franchie, la rubrique " Savoir Résoudre » donne des méthodes et des conseils ; elle privilégie l'analyse qualitative aux calculs. Elle per- met d'aborder quelques points délicats de la rubrique " S'entraîner ». La rubrique " S'entraîner » permet à l'étudiant d'aller plus loin et de se confronter à des exercices, soit plus complets (car faisant appel à plusieurs notions), soit plus difficiles. Enfin, le dernier chapitre propose des problèmes de concours dont cer- tains ne sont abordables qu'à la fin du cours sur l'optique physique. Les trois chapitres (3, 6 et 7) relatifs aux TP Cours proposent des exercices plus reliés à l'expérience et ces derniers requièrent d'avoir manipulé enTP auparavant.
Je tiens à remercier tous les collègues physiciens avec qui j'ai pu échanger sur l'optique physique : tout d'abord mes anciens professeurs (l'échange étant alors à sens unique) et plus particulièrement Philippe Fleury pour sa relecture minutieuse et pertinente ; Yves Dulac et Pascal Brasselet pour leur disponibilité à répondre à de multiples questions ; enfin Sylvain Houard qui a généreusement accepté de me prêter certaines de ses photos et d'en faire de nouvelles pour le livre. Merci à Jean-Michel pour sa patience durant de nombreux week-ends de travail acharné et pour la maintenance du matériel informatique.Pascale Legagneux-Piquemal
© Nathan,classe prépa
Sommaire
Avant-propos .................................................................................... 31Introduction à l'optique physique
1 - Rappels d'optique géométrique ................................................................ 7
2 - Sources lumineuses - Modèle scalaire Récepteurs lumineux
Intensité - Éclairement .................................................................................
133 - Propagation - Chemin optique - Déphasages Théorème de Malus ....... 15
savoir résoudre les exercices........................................................................ 20
s'entraîner..................................................................................................... 29
corrigés.......................................................................................................... 33
2Interférences à deux ondes en lumière monochromatique
1 - Problème théorique à deux sources ponctuelles
monochromatiques cohérentes ..................................................................... 412 - Diviseur d'onde : réalisation pratique de deux sources
ponctuelles monochromatiques cohérentes ................................................. 47savoir résoudre les exercices.........................................................................51
3Interféromètre de Michelson
1 - Principe et description de l'appareil ....................................................... 67
2 - Franges d'interférences et localisation des franges
avec une source étendue ..............................................................................
723 - Étude théorique du réglage du Michelson .............................................. 76
4 - TP cours ................................................................................................... 76
savoir résoudre les exercices.........................................................................83
4Interférences à deux ondes en lumière polychromatique
1 - Sources polychromatiques et intensité spectrale ................................... 101
2 - Méthodologie : problème théorique à deux sources ponctuelles
cohérentes en lumière polychromatique .................................................... 1033 - Première modélisation : cas d'un doublet de raies infiniment fines ....... 104
4 - Deuxième modélisation : cas d'une raie rectangulaire .......................... 107
5 - Interférences en lumière blanche .......................................................... 109
savoir résoudre les exercices.......................................................................113
5Diffraction
1 - Phénomène - Calculs de déphasage ..................................................... 129
2 - Principe d'Huygens-Fresnel - Amplitude et intensité diffractées
par une pupille plane .................................................................................
1323 - Cas particulier des pupilles opaques ou transparentes ........................... 136
4 - Effets sur la figure de diffraction d'une transformation de la pupille -
Érans complémentaires ...............................................................................
141© Nathan,classe prépa
5 - Analyse du dispositif des deux fentes d'Young - Nécessité d'une fente source parallèle aux deux fentes ..............................
1436 - Limitation du pouvoir séparateur des instruments d'optique
par le phénomène de diffraction ................................................................
148savoir résoudre les exercices...................................................................... 152
s'entraîner................................................................................................... 158
corrigés........................................................................................................ 162
6Interférences à N ondes cohérentes - Réseaux (TP Cours)
1 - Intérêt des interférences à N ondes cohérentes .................................... 175
2 - Interférences à N ondes cohérentes,
amplitude et intensité diffractées à l'infini ..................................................
1783 - Réseaux - Cas particulier du réseau par transmission ............................. 180
savoir résoudre les exercices.......................................................................189
7Polarisation
1 - Polarisation - Théorie ........................................................................... 207
2 - Polariseurs ............................................................................................. 211
3 - Lames demi-onde et quart d'onde ....................................................... 213
4 - Polarisations par réflexion vitreuse et par diffusion ................................ 218
5 - TP Cours : Production et analyse de lumière polarisée .......................... 219
savoir résoudre les exercices.......................................................................224
8Problèmes de concours
1 - Mesure de l'activité sismique d'une étoile par interférométrie ............. 241
2 - Radioastronomie ................................................................................... 253
3 - Holographie .......................................................................................... 270
Annexe : Éléments de mathématiques ....................................... 2801 - Fonctions usuelles en optique ............................................................... 280
2 - Polarisation elliptique ........................................................................... 283
3 - Transformée de Fourier .......................................................................... 283
Index....................................................................................................................... 285
© Nathan,classe prépa
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1 - Introduction à l'optique physique
retenir l'essentiel 7Introduction
à l'optique physique
1Rappels d'optique géométrique
Ces rappels ont pour objectif de préciser les grandes fonctions de quelques composants (miroirs et lentilles) et leurs utilisations courantes dans les exercices d'optique physique et en activités expérimentales. • Lois de DescartesPremière loi : les rayons réfractés et réfléchis appartiennent au plan d'incidence (plan défini
par le rayon incident et la normale au dioptre au point d'incidence). Deuxième loi : pour la réfraction et pour la réflexion (les angles sont tous orientés par rapport à la normale au dioptre, figure 1). • Rappelons aussi le principe de retour inverse de la lumière.Les phénomènes de
réfraction limite et de réflexion totale seront évoqués dans l'exer- cice n° 3 de " S'entraîner ». Les rayons lumineux sont rectilignes dans un milieu linéaire, homogène, isotrope d'indice n constant. L'indice n d'un milieu varie avec la longueur d'onde selon la loi de n1i1sinn2i2sin=ri1-=Fig. 1Lois de Descartes
n1n2 i1 i2r© Nathan,classe prépa
retenir l'essentiel Optique ondulatoire PC, MP, PSI, PT - © Nathan, Classe prépa8Cauchy Pour des gaz dilués, est proportionnel à la masse volumique
donc proportionnel à la pression et inversement proportionnel à la température (loi deGladstone proportionnel à
1.1.