A- Ondes Chapitre 3 - Activités. Chapitre 3 Propriétés des ondes

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1 Chapitre 3 Propriétés des ondes 1 er volet : la diffraction Activité 1 : Fente ou obstacle sur le trajet d une onde périodique Objectif : Découvrir ce qu'est le phénomène de diffraction puis être capable de le repérer. On fait passer un faisceau de lumière laser par une fine fente disposée verticalement. 1. Prévision : sur le schéma suivant, représentant la situation vue de dessus, représenter le faisceau lumineux après le passage de la lumière par la fente. faisceau de lumière fente? écran Réalisation de l expérience. Observation. 2. Avec une autre couleur, modifier votre schéma si besoin. On pose maintenant dans une cuve à onde deux obstacles qui forment une ouverture, jouant le rôle de la fente de la situation précédente, comme schématisé dans la situation ci-contre. 3. Prévision : prévoir ce qu'il va se passer en représentant les vagues après la fente sur le schéma. Cuve vue de côté Cuve vue de Réalisation de l expérience. Observation. 4. Avec une autre couleur, modifier votre schéma si besoin. Toujours dans la cuve à onde, les vagues produites vont rencontrer un obstacle. 5. Après observation, compléter le schéma ci-contre. Cuve vue de côté Cuve vue de dessus Dans le modèle, lire le paragraphe A1 «Propriétés des ondes : la diffraction» 6. A l aide du modèle et en faisant une analogie avec ce que l on vient de voir pour les ondes dans la cuve à onde, prévoir ce qu il va se passer pour la lumière lorsqu elle rencontre un fil fin sur son trajet. Réalisation de l expérience. Confronter votre prévision à l expérience Activité 2 Influence de la taille de l ouverture sur le phénomène de diffraction Objectif : Étudier, qualitativement et quantitativement, l influence de la largeur de la fente (ou du fil) sur la figure de diffraction d une onde lumineuse. On pose dans la cuve à onde une ouverture en forme de fente. On observe la diffraction des ondes par la fente. On fait varier la largeur de la fente. 1. Qu observe-t-on lorsque la largeur de l'ouverture diminue? 2. Par analogie, prévoir l'évolution de la largeur de la tache centrale de diffraction de la lumière du laser lorsque la taille de l'ouverture diminue.

2 Activité 2 suite Réalisation de la même expérience avec le laser et un obstacle ou une fente. Confronter votre prévision aux observations effectuées. Dans le modèle, lire le paragraphe A2 «Relation entre l ouverture angulaire du faisceau, la largeur de la fente et la longueur d onde» 4. A partir du schéma du modèle représentant la figure de diffraction, exprimer tanθ en fonction de d et D. 5. On peut considérer ici que tan θ = θ car l angle est faible (θ < 10 ). En déduire l expression de d en fonction de D, a et λ. 6. Vérifier l accord entre cette relation et les observations qualitatives effectuées en question 3. Pour aller plus loin Utiliser la relation obtenue à la question 5 pour prévoir la figure observée si la fente est éclairée avec une lumière blanche. Faire un schéma Activité 3 Étude expérimentale du phénomène de diffraction dans le cas des ondes lumineuses Objectif : Utiliser le phénomène de diffraction pour déterminer la longueur d onde d un laser. Évaluer l incertitude du résultat obtenu. Comment déterminer expérimentalement la longueur d onde de la lumière émise par une diode laser? I. Première mesure Avec le matériel disponible, réaliser une expérience utilisant la diffraction pour déterminer la longueur d onde de la lumière émise par le laser. Noter ensuite brièvement par quelques phrases le protocole suivi, les valeurs des mesures effectuées et le résultat obtenu pour la longueur d onde. II. Travail sur la précision de la mesure 1. Identifier les sources d erreurs possibles et les limites à la précision de la mesure de longueur d onde. 2. Évaluer l incertitude associée à chaque grandeur intervenant dans la détermination de λ. 3. Réécrire si besoin, les valeurs des distances mesurées avec un nombre de chiffres significatifs adapté à l incertitude qui leur est associée. 4. Calculer l'incertitude sur la longueur d'onde sachant qu'elle s'exprime ici par la relation : = En déduire le nombre de chiffres significatifs permis pour la valeur de la longueur d onde. Pour avoir une mesure plus fiable de la longueur d onde, on peut utiliser les deux méthodes suivantes : Méthode A : pour une fente donnée, on fait la moyenne des résultats des mesures réalisées par plusieurs groupes. Méthode B : un groupe donné fait plusieurs mesures en faisant varier la largeur de la fente. Ensuite, il fait une moyenne des longueurs d ondes obtenues par le calcul ; ou il utilise une méthode graphique en traçant d/d en fonction de 1/a pour trouver la longueur d onde qui correspond au coefficient directeur de la droite de modélisation. 5. Expliquer pourquoi la mesure sera plus fiable que celle de la partie I avec l une ou l autre de ces méthodes. 6. Réaliser la méthode indiquée par le professeur et déterminer la longueur d onde du laser. Comparer cette valeur avec la valeur λ 0 donnée par le fabriquant et déterminer l'écart relatif de la mesure par rapport à la valeur théorique en calculant : λ 0 λ mesuré λ 0.

3 2 e propriété : Interférences Activité 4 Introduction au phénomène d interférences avec des ondes sonores Objectif : Introduire le phénomène d interférences avec des ondes sonores. 1. Écrire ce que signifie pour vous le mot «interférence». On va créer deux sources sonores identiques en branchant un GBF délivrant une tension sinusoïdale de 1000 Hz sur 2 haut-parleurs placés en dérivation. 2. A votre avis les ondes produites par les hauts parleurs vont-elles interférer? Argumenter votre réponse en expliquant par exemple ce que l'on risque d'entendre si on se déplace dans le fond de la salle. GBF Réalisation de l'expérience et indication des observations : Lire le B1 du modèle. 2. Le mot interférence en physique a-t-il le même sens que celui que vous avez noté en 1? Argumenter votre réponse Activité 5 (expérimentale) Étude expérimentale du phénomène d interférences Objectif : Étudier qualitativement et quantitativement le phénomène d interférences dans le cas des ondes lumineuses. I. Étude qualitative On va faire passer un faisceau laser à travers deux fentes fines verticales, très proches l'une de l'autre. 1. Prévision : sur le schéma ci-dessous, représentez le faisceau de lumière après son passage par les fentes. On réalise l expérience. Observer. 2. En faisant référence à l activité précédente avec les deux HP, proposez une interprétation de vos observations. 3. Indiquer une observation visible avec la lumière mais qui n a pas été perçue dans le cas des ondes sonores.

4 Lire le B2 du modèle. II. Étude quantitative Cas des ondes à la surface de l'eau Pour mettre en évidence le phénomène d'interférences pour des ondes à la surface de l'eau, on peut utiliser deux sources vibrant en phase. On obtient ainsi deux ondes circulaires de même fréquence et en phase au niveau des sources. 1. Pourquoi les zones où il y a interférences constructives sont-elles difficiles à voir à l'œil nu? 2. Comment régler un appareil photo pour observer ces zones et les zones d'interférences destructives? Sur le document Ressource (1 ou 2) fourni, les zones lumineuses des photos du bas représentent les zones d'interférences constructives. 3. Justifier que la ligne médiane (notée 0) entre les deux sources soit une zone d'interférences constructives. On appelle différence de marche entre les deux ondes qui interfèrent en M, la différence entre la distance S 1 M et la distance S 2 M : δ = S 1 M S 2 M. 4. Que vaut la différence de marche sur cette ligne médiane? 5. En utilisant le modèle et éventuellement la simulation Interférences_eau indiquée par le professeur, indiquer ce que vaut la différence de marche sur la ligne courbe n Vérifier la proposition précédente en faisant des mesures à la règle sur le document et éventuellement sur le document 1 obtenu pour la même fréquence. 7. Généraliser le résultat obtenu à toutes les zones d'interférences constructives. Cas des ondes lumineuses On considère le schéma de la situation expérimentale étudiée. Les deux fentes se comportent comme deux sources de lumière S 1 et S 2 cohérentes. 1. En vert, représenter un rayon de lumière qui va de S 1 à M puis un rayon qui va de S 2 à M. 2. Avec une autre couleur, représenter la différence de marche δ entre les deux ondes qui interfèrent en M. Utiliser le modèle pour répondre aux questions suivantes. 3. Si δ = 0, où se trouve le point M sur l écran? Le point M est-il alors dans une frange claire ou dans une frange sombre? 4. Si δ est un multiple entier (non nul) de la longueur d onde, le point M est-il dans une frange claire ou dans une frange sombre? 5. Si δ est un multiple entier de la longueur d onde, additionné d une demi-longueur d onde, le point M est-il dans une frange claire ou dans une frange sombre? On appelle interfrange, noté i, la distance séparant deux franges brillantes (ou deux franges sombres) consécutives sur l écran. On peut montrer qu'on a ici : i = λd b 6. Répondre aux questions suivantes en utilisant la relation précédente donnant i : a) Pour augmenter l interfrange, faut-il rapprocher ou éloigner l écran? b) Pour augmenter l interfrange, faut-il rapprocher ou espacer les fentes? c) Avec quel laser (lumière verte ou lumière rouge) obtient-on un interfrange plus important, toutes conditions égales par ailleurs?

5 III. Vérification expérimentale du modèle Par groupe de 4, avec le matériel dont vous disposez, faire des mesures pour montrer que la relation cidessus permet effectivement de modéliser la situation. 7. Noter les mesures effectuées, les résultats obtenus, et l analyse de ces résultats (mesures en accord ou non avec la relation, pertinence de la méthode, précision). 8. Rédiger un transparent (ou un poster, ou une diapo sur l ordinateur ) et présenter vos résultats expérimentaux à la classe. IV. Conclusion Après mise en commun des résultats, remplir le tableau ci-dessous pour comparer les 2 expériences (interférences sonores et interférences lumineuses). Analogies Différences

6 Ressources 1 - Activité 5 (fréquence 15 Hz) Petit temps de pause ,0 cm Grand temps de pause

7 Ressources 2 - Activité 5 (fréquence 20 Hz) Petit temps de pause ,0 cm Grand temps de pause