Les propriétés des ondes

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1 I. Approche historique: activité 1 P62 II. Le phénomène de diffraction : Les propriétés des ondes 1. la diffraction des ondes mécaniques progressives : expérience de la cuve à onde : Une onde mécanique à deux dimensions change de direction quand elle rencontre une fente fine de largeur a proche de la longueur d'onde incidente. expérience des ultrasons : GBF avec émetteur ultrasonore, oscilloscope, gabarit de rapporteur, récepteur ultrasonore. Une onde sonore à trois dimensions change de direction quand elle rencontre une fente fine de largeur a proche de la longueur d'onde incidente.( rappel : si F =40 khz, alors λ = 8,5 mm ). conclusion : Lorsqu'une onde mécanique progressive rencontre un obstacle ou une fente de petite dimension, la propagation de cette onde change de direction, ce phénomène est appelé «diffraction des ondes». Le phénomène de diffraction dépend de la longueur d'onde λ de l'onde incidente et de de la dimension a de l'obstacle ; il est d'autant plus marqué que a est voisin ou inférieur à la longueur d'onde λ. autres exemples : diffraction de la houle ou des vagues. 1/9

2 2. diffraction des ondes lumineuses : expérience : laser vert avec fente fine, puis trou circulaire fin. conclusion : Une onde lumineuse monochromatique subit le phénomène de diffractionpar des objets de petite taille. Les objets difffractants pour les ondes lumineuses sont quasiment toujours de grande taille devant la valeur de la longueur d'onde λ : a >> λ.( différent des ondes mécaniques!!) 3. L'écart angulaire : définition : La diffraction d'une onde est caractérisée par le demi-grand angle délimitant les premiers minima d'amplitude. Il est noté θ, se mesure en radians et est appelé «écart angulaire». L'écart angulaire vérifie la relation : θ= λ a avec : θ écart angulaire en radians, λ longueur d'onde en mètre, a dimension de l'obstacle en mètre. 4. La diffraction en lumière blanche : En lumière blanche, la superposition des figures de diffraction des différentes radiations est irisée, c'est à dire qu'elle présente les couleurs du spectre de la lumière blanche. 5. Etude expérimentale : cf TP observer 4 le phénomène de diffraction. 6. exercices : exercice 18 P 78 exercice 20 P exercice 33 P 83 2/9

3 III. Le phénomène d'interférences : 1. Les interférences des ondes mécaniques : expérience avec cuve à ondes expérience avec réflexion : mise en évidence de la superposition constructive des ondes expérience avec deux sources : mise en évidence de la superposition constructive des ondes 2. Les interférences des ondes lumineuses : Par analogie avec les ondes mécaniques, deux faisceaux de lumière issus d'une même source laser passant par deux ouvertures étroites, engendrent un phénomène d'interférences. définition : Lorsque deux ondes monochromatiques de même nature se superposent, l'amplitude de l'onde résultante varie dans l'espace : c'est le phénomène d'interférences. On observe des franges d'interférences. Deux cas de figure : Si on modélise une onde lumineuse monochromatique par une fonction sinusoïdale, la superposition de deux ondes moncohromatiques de même nature peuvent créer deux cas de figure : les sommets et les creux coïncident, les ondes sont en phase et les amplitudes se rajoutent : c'est le cas d'interférences constructives. les sommets et les creux sont en opposition, les ondes sont en opposition de phase et les amplitudes s'annulent : c'est le cas d'interférences destructives. 3. étude expérimentale : cf TP observer 5 notion d'interférences. 3/9

4 bilan : l'interfrange i est la distance séparant deux franges brillantes ou deux franges sombres. on observe des interférences constructives quand la différence de marche est δ = k.λ on observe des interférences destructives quand la différence de marche est δ = (k+1/2).λ l'interfrange i est liée au dispositif par la relation : avec λ en mètre, D en mètre, b en mètre et i en mètre. i= λ D b 4. exemples d'application : Détermination du pas d'un réseau : Un réseau de diffraction est constitué d'une multitude de fentes juxtaposées séparées d'une distance b. principe d'un réseau de diffraction. figure obtenue par un réseau de diffraction par réflexion mesures effectuées avrec réseau neuf à 140 traits.mm -1 D =2,00 m ; i=18,6 cm ; λ =650 nm. d'où : b =6, m soit : 1/b = traits.m -1. possibilité d'un calcul d'incertitude. La découverte de la forme hélicoïdale de la molécule d'adn. (document à fournir) Le casque anti-bruit : principe du tube de Kundt ( expérience tube de Kundt, GBF, petit HP, fils, micro à électret avec amplification ; réglages GBF : 440 Hz, 20V ) 5. exercices : exercice 16 P 77 exercice 23 P 80 exercice 24 P 80 exercice couche anti-reflet (simple ) 4/9

5 6. exemples naturels : Interference between wave fronts producted by the wakes of two boats: a) River Thames, London, England, 11/06/2006, coordinates: N, E. IV. L'effet Doppler : 1. expérience : Mise en évidence par le buzzer avec cordelette. On perçoit une modification dela fréquence sonore : le son est plus aïgu (niveau plus haut ) quand la source se rapproche et est plus grave ( niveau plus bas ) quand la source s'éloigne. 2. étude expérimentale : cf TP observer 5 -effet Doppler 3. principe : simulation doppler.exe + cuve à ondes La variation de fréquence apparente avec la vitesse de la source ( ou de l'observateur ) a été étudié par le physicien autrichien Doppler ( ). A la même époque, le physicien français Fizeau ( ) étudiait le même phénomène avec des sources lumineuses. La variation de fréquence est telle que : quand la source ( ou observateur ) se rapproche : 1 s( f obs = f 1 v s v 0 ) obs: fréquence perçue par l ' observateur en Hz f avec:{f s : fréquenceémise par la source en Hz v s : vitesse de la source enm.s 1 v s : vitesse de l ' onde enm.s 1 } on constate que : f obs > f 0 5/9

6 quand la source ( ou observateur ) s'éloigne: 1 s( f obs = f 1+ v s v 0 ) obs: fréquence perçue par l ' observateur en Hz f avec :{f s : fréquence émise par la source en Hz v s : vitesse dela source enm.s 1 v s : vitesse del ' onde enm.s 1 } on constate que : f obs < f 0 4. applications à l'astrophysique : exercice sur la vitesse de rotation de Jupiter : document à fournir 5. exercices : les ailes du colibri ex 30P82 27 P 81 32P83 exercice bac «le cinémomètre» 6/9

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