Chapitre 6 : L optique physique (I)

Transcription

1 Chapitre 6 : L optique physique (I) Exercices E. On utilise l équation obtenue à l exemple 6. et qui associe la position d une frange sur l écran aux autres paramètres. Avec 6 on obtient ( )() mm E. On utilise, pour chaque longueur d onde, l équation obtenue à l exemple 6., qui associe la position d une frange sur l écran aux autres paramètres. Avec I 480 nm et II 650nm, on obtient I I II II ( )(0) m ( )(0) m La distance entre les deux franges sur l écran équivaut donc à II I 70 mm E3. (a) On adapte l équation obtenue à l exemple 6. à une situation d interférence destructive + + et on obtient Pour 0 cette équation donne la position du premier lieu d interférence destructive : ( )() (3 0 3 ) 04 mm (b) On utilise l équation obtenue à l exemple 6. et on obtient, pour : ( )() 08 mm E4. On adapte l équation obtenue à l exemple 6. à une situation d interférence destructive + + et on obtient Avec 3(troisième ordre) et (deuxième ordre) on arrive à 3+ + ( )(8) mm E5. Si la distance entre les deux franges d ordre 4est de 7 cm, on a 4 35 cm. En utilisant l équation obtenue à l exemple 6., on obtient (35 0 )( 0 4 ) 4(30) 583 nm E6. (a) En utilisant l équation obtenue à l exemple 6., et pour 3,ontrouve ( )() mm (b) Avec on calcule la position de la frange brillante, ce qui donne ( )() mm 3 v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 5

2 E7. La cinquième frange sombre est celle pour laquelle 4dans l équation 6.3. Si on combine les équations 6.3 et 6.4, on obtient sin + sin + ( 0 4 ) sin(07 ) nm E8. On donne nm et est inconnue dans (560) nm E9. On cherche la position où (480 nm) (560 nm) 6 7 7et 6 On obtient en utilisant l une ou l autre des longueurs d onde dans l équation de l exemple 6. : 7( )() cm E0. On adapte l équation obtenue à l exemple 6. à une situation d interférence destructive + et on obtient, pour 7: (75)( )() 086 mm E. Pour les deux premières franges d interférence constructive qui suivent le pic central, les équations 6. et 6.4 donnent sin () sin (i) sin sin (ii) On veut que +0 On combine les équations (i) et (ii), et on remplace dans le résultat : sin sin( +0 ) sin sin( +0 )sin cos (0 )+cos sin (0 ) sin sin cos (0 )cos sin (0 ) sin ( cos (0 )) cos sin (0 ) tan sin(0 ) cos(0 ) Finalement, si on revient à l équation (i), on obtient sin(97 ) sin(97 ) 3 0 sin(97 ) 78 cm 97 E. Si les angles sont faibles, la distance entre chaque frange est à peu près constante. Si cm correspond à la distance entre la première et la huitième frange, la distance entre chaque paire de frange équivaut à 7 On utilise ensuite le résultat de l exemple 6. et on trouve )() mm 7 6 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

3 E3. Si le retard de phase est de 3 la différence de marche sera de 3 4 Ainsi ( )(4) 4(5 0 4 ) 6 mm La frange est décalée vers le haut, car c est ainsi que l on fait parcourir une plus grande distance au signal émis par la fente du bas. E4. On sait, par l équation que la longueur d onde du son émis est m On cherche la distance au mur, telle qu elle est décrite dans cette figure : Soit et la longueur de chacun des trajets sonores, selon, respectivement, qu il rejoint directement le point ou se réfléchit sur le mur. S il doit se produire de l interférence constructive et que la distance doit être minimale, la différence de marche correspond à une longueur d onde. On donne 8m, donc 70 q q (485) 4 74 m E5. Si la fréquence vaut 000 Hz, la longueur d onde est de 34 0 m. La distance entre le maximum central d intensité sonore et le premier minimum est donnée par le résultat de l exemple 6. adapté à une situation d interférence destructive ( 0): + (34 0 )(8) () 36 m E6. On calcule, avec l équation.5c, une longueur d onde émis par l un ou l autre des haut-parleurs. 359 m pour le son (a) Si l intensité sonore est nulle au point P, c est qu il se produit de l interférence destructive. Dans une telle situation, la différence de marche entre les sons émis par S et S est donnée par l équation 6.3, +. La figure 6.30 et le théorème de Pythagore permettent d établir une équation pour qui contient la distance : Comme on cherche une valeur minimale à la distance, onposeque 0et v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 7

4 q r m (b) Pour le point Q, l équation de la différence de marche s écrit ( +). Comme on cherche la valeur minimale de on pose encore une fois que 0dans l équation 6.3 et on calcule 79 m E7. L équation.5c nous donne 68 0 m. Puisqu un des haut-parleurs est déphasé de radians par rapport à l autre, on doit créer une différence de marche de pour obtenir une interférence constructive. On cherche tel que q r m E8. Chercher la fréquence la plus basse équivaut à chercher la longueur d onde la plus élevée ou l ordre de marche le plus bas. (a) Avec on cherche tel que m 70 Hz (b) Avec 0 on cherche tel que m 360 Hz E9. (a) On cherche une différence de marche telle que + ( ) + + (b) On cherche une différence de marche telle que + ( ) E0. La différence de marche correspondant à un certain déphasage de la longueur d onde, on peut poser que sin où est la distance entre les deux antennes. Ainsi arcsin arcsin 70 µ (3 0 )(5) (8 0 ) Donc 70 au-dessusdeladroitequiarriveàl amplificateur, perpendiculairement à la droite qui joint les deux antennes. E. Partant simultanément de la source, les trajets de deux rayons parallèles diffèrent une première fois parce qu ils sont incidents, en faisant un angle avec la normale aux niveaux des fentes. Une des fentes, la fente supérieure, est ainsi plus éloignée de la source d une 8 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

5 distance sin (a) À la position angulaire indiquée dans la figure 6.3, une distance de sin s ajoute au trajet du rayon provenant de la fente inférieure, de sorte que la différence de marche pour la fente inférieure la différence entre les deux contributions : (sin sin ) (b) Le maximum correspondant au pic central apparaît pour une différence de marche nulle : (sin sin ) 0 (c) Au centre de l écran, on a 0 d où sin Afin d avoir l interférence destructive nécessaire pour produire un premier minimum, il faut que arcsin E. La position des minima est donnée par + + Ici, comme on obtient CQFD E3. L équation de la différence de trajet pour produire des maxima est sin Si on utilise l équation de la position des maxima, on en déduit que (47 0 )( ) ( )(4) 7 La frange brillante observée est donc la septième après le pic central. Il y a donc 7 franges sombres entre le centre et cette frange brillante. E4. On doit trouver les hauteurs minimale et maximale où il y a interférence par réflexion sur le miroir. En utilisant l approximation des petits angles (sin tan ) et la loi de la réflexion,onobtient max 4 5 min 0 max m min m L intervalle où on trouve des franges est donc de max min 800 mm. E5. L intensité sur une figure d interférence est donnée par l équation 6.9. Si la phase correspond à la différence de marche angulaire, on sait par que Ainsi, on obtient 4 cos 4 cos 4 0 cos CQFD E6. En utilisant la relation démontrée à l exercice précédent, on obtient 4 cos cos v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 9

6 q arccos ( )(6) ( 0 4 ) q arccos mm E7. En utilisant le résultat de l exercice 5, on obtient µ 4 cos 4 cos (6 0 4 )( ) ( )(5) E8. Si une fente produit un signal avec une phase de 4 cos 4 0 rad, l équation 6.9 devient E9. Puisque l intensité du maximum central est égale à 4 on cherche tel que q cos 4 arccos mm E30. Avec sin 4 cos Si, de plus, W/m on a 4cos ( sin ) et l équation 6.9 devient 4 cos ( sin ) Dans le logiciel Maple, on définit l expression de l intensité en fonction de l angle et on crée le graphe demandé pour allant de 0 à 5 radians : restart; I_:4*(cos(*Pi*sin(theta)))^; plot(i_,theta0...5); E3. Cette situation est similaire à celle de l exemple 6.5a du manuel. Mais, contrairement à l exemple du manuel, on nous fournit l épaisseur delapelliculeetonveutdéterminer les longueurs d onde de la lumière blanche (400 nm 700 nm) pour lesquelles il y aura interférence destructive. Selon l exemple 6.5a, l équation qui permet de calculer l épaisseur de la pellicule est 0 (+) 4 On modifie algébriquement ce résultat pour qu il serve à déterminer la longueur d onde p,sachantque cm 830 nm et p 38 : 4p 4(38)(830 nm) 458 nm Pour 34 et 5, on obtient les longueurs d onde faisantpartiedelalumièrevisible pour lesquelles il y aura interférence destructive, soit 47 nm, 509 nm, 655 nm. E3. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p 4 et que 5 on a. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) p 4 p m 0 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

7 On calcule ensuite pour les différentes valeurs de : (a) rad (b) rad (c) rad E33. (a) On donne p 5. On calcule le résultat au moyen des équations 6.5 et 6. : p p (5) 00 nm (b) Comme on peut le voir à la figure 6.7b du manuel, l angle du coin de verre possède la même valeur que celui formé par les segments et qui correspondent respectivement à la variation d épaisseur et à la distance entre deux franges brillantes successives. Comme tan, la valeur de l angle est arctan arctan rad E34. On utilise le résultat de l exemple 6.7 avec cm metoncalcule l épaisseur maximale du coin : ( )( 0 ) 74 0 ( ) 5 m Le rayon du fil correspond à la moitié de son épaisseur, donc m E35. (a) Il s agit d une situation similaire à celle de la partie (b) de l exemple 6.5. Ainsi, pour une épaisseur minimale ( ), on détermine que p p (33) 07 nm (b) Il s agit d une situation similaire à celle de la partie (a) de l exemple 6.5. Ainsi, pour une épaisseur minimale ( 0),onobtient (+)p 4 4 p (33) 03 nm E36. (a) Si on adapte l équation (ii) de l exemple 6.7 à l interférence destructive, on obtient 4( ) m (b) Si on utilise ce résultat dans l équation (i) de l exemple 6.7 avec, le rayon de la 4 e frange, on obtient ( 0 ) ( ) 45 m E37. Si on adapte l équation (ii) de l exemple 6.7 à l interférence destructive, on obtient air pour la pellicule d air, et huile pour la pellicule d huile d indice. Comme il s agit, dans les deux cas, de la huitième frange sombre ( 8)et que v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I)

8 on peut écrire deux équations : huile huile huile 0 (i) air air air 0 (ii) En divisant l équation (ii) par l équation (i), on obtient air huile air huile 8 cm 64 cm 0 E38. On considère que le décalage d une frange équivaut à une longueur d onde et que la lumière parcourt deux fois la distance m. On peut donc écrire que nm E39. Le déphasage correspondant à un décalage de 5 franges s exprime comme suit ( ) 5 () 5 + Comme 0 6 m m, on obtient p 5( ) E40. (a) On résout cet exercice à partir de l équation 6.6 : (600 nm)(3) 00 nm (b) Toujours en faisant appel à l équation 6.6, on obtient (5 0 6 ) 37 rad E4. Le nombre de longueur d onde dans la pellicule correspond à donc ( ) et ( ) 377 rad E m, donc il a 444 franges par centimètre ou 4 franges. E nm E m, donc 0690 mm E mm E m, donc 95 m E47. sin sin( ) 3 donc 4 franges. E48. (a) sin et (b) tan rad 0005 rad sin 94 rad sin E49. (a) donc sin rad (b) sin sin rad E50. (a) tan rad (b) 4 cos 0800 sin 79 rad Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

9 E5. sin mais ( + ) (500 nm) (600 nm) 5 05 E5. 55 met m, donc E m 3 m 04 rad E nm E55. (a) (5 + ) (5 ) ±05, ±5 ±50 m, ±450 m (b) (5 + ) (5 ) ±, ± 0, ±300 m E56. (a) + Pour on trouve 375 m. Pour 3 on trouve 0583 m. (b) Pour on trouve 50 m. E57. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p 4 et que 33 on a et 0. (a) On donne 60 nm. Au moyen de l équation 6., on calcule p p 60 nm nm (b) On donne 0 6 m, ce qui permet de calculer que p Comme on veut le nombre de longueurs d onde complètes, la réponse est. (c) Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4 E58. entre deux franges successives et m, et il y a 75 franges/cm. p 4 (79) rad E59. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p et que 33 on a. On donne 450 nm et la pellicule est éclairée par de la lumière blanche (400 nm 700 nm). Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) 4 p (a) Comme on cherche les longueurs d onde renforcées, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence constructive. Ainsi, avec N et on calcule 4 p p p 098 nm Pour, on obtient l unique longueur d onde faisant partie de la lumière visible et v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 3

10 qui subira de l interférence constructive, soit 549 nm. (b) On cherche maintenant les longueurs d onde atténuées et la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4 p + 4 p 96 nm + + Pour, on obtient l unique longueur d onde faisant partie de la lumière visible et qui subira de l interférence destructive, soit 439 nm. E60. Comme il s agit d une pellicule mince d air entre deux blocs de verre, toutes les réflexions subies par un rayon voyageant à l intérieur de la pellicule seront dures. À la figure 6.35 du manuel, le changement de phase supplémentaire que subit le rayon qui sort de la pellicule en haut à droite par rapport à celui qui sort en bas est donc de + pour les deux réflexions dures qu il subit, additionné au changement de phase PS qui vient du parcours supplémentaire dans la pellicule mince. Comme on néglige l aller initial, pour lequel les deux rayons subissent un changement de phase identique, l expression pour PS est la même que celle des autres situations décrites à la section 6.5, avec p.ainsi, + p + ()p + 4 On cherche les conditions de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule ( +) + 4 ( +) E6. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p 38 et que 5 on a. On donne 540 nm et la pellicule est éclairée par de la lumière blanche (400 nm 700 nm). Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) 4 p Comme on cherche les longueurs d onde atténuées, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4 p + 4 p 98 nm + + Pour et 3, on obtient les longueurs d onde faisant partie de la lumière visible pour lesquelles il y aura interférence destructive, soit 46 nm, 596 nm. E6. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p et que 4 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

11 33 on a. On donne 566 nm qui subit de l interférence constructive. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) 4 p Comme il se produit de l interférence constructive cette différence de phase correspond à avec N, desorteque 4 p p p Si on cherche l épaisseur minimale, on pose et min p 566 nm () 3 nm E63. Comme il s agit d un coin d air ( p ) entre deux lames de verre, on a 0et. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p + 4p + 4 Comme on s intéresse aux franges sombres, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 + ( +) 4 (i) Soit la distance entre l extrémité du coin et la frange sombre associée à l épaisseur. Comme ces deux segments sont perpendiculaires, on peut écrire tan, avec rad, l angle au sommet du coin. En remplaçant dans (i) par cette relation, on obtient (tan ) tan Avec 60, 460 nm et 660 nm, on calcule (60) 0 tan( ) (60)( ) tan( ) m (60) 0 tan( ) (60)( ) tan( ) m Finalement, on calcule la distance entre les deux franges mm E64. Entre deux franges successives, et tan Comme cm 6 on obtient tan E65. Comme il s agit d un coin de verre ( p 5) plongé dans l air ( ),ona et 0. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 5

12 rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4p 4p Comme on s intéresse aux franges sombres, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4p + (+) p On donne 40 nm et 45 nm, les deux longueurs d onde dont on veut qu une frange sombre se superpose. Cette superposition se produit à la même épaisseur et pour des valeurs d ordre qui diffèrent pour chaque longueur d onde. Comme, l équation (i) permet toutefois de conclure que. Autrement dit, on peut affirmer que ou ou 3 et ainsi de suite. On doit donc procéder par étape, en cherchant la valeur de qui est la plus proche de.àpartir de l équation (i), on teste la première possibilité : ( +) p ( +) p ( +) ( +) ( +) ( +) ( + ) (40 nm) (45 nm) 84 Comme possède une valeur entière, il est inutile d explorer les autres éventualités. Soit la distance entre l extrémité du coin et une frange sombre d épaisseur. Comme ces deux segments sont perpendiculaires, on peut écrire tan, avec rad, l angle au sommet du coin. On revient à l équation (i) pour et on calcule ( +) p tan ( +) p tan 85( ) (5) tan( ) (i) 850 mm E66. Cet exercice est très similaire à l exercice 60. La différence est qu il s agit d une pellicule mince de verre placée dans l air et qu ainsi, toutes les réflexions subies par un rayon voyageant à l intérieur de la pellicule sont molles. En suivant un raisonnement similaire à celui de l exercice 60, on exprime le déphasage entre les deux rayons sortant au bas de la pellicule à la figure 6.36 par p ()p 4p (a) Comme on cherche à établir les conditions d un maximum, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence constructive. Ainsi, avec N et on obtient 6 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

13 4 p p p (b) Dans le cas d un minimum, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on obtient 4 p ( +) p + p + E67. On donne 58, p 56 et 5, doncona 0. L épaisseur de la pellicule est 5 m 50nm et elle est éclairée par de la lumière blanche (400 nm 700 nm). Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4 p Comme on cherche les longueurs d onde atténuées, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4p + 4p 7800 nm + + Pour et 9, on obtient les longueurs d onde faisant partie de la lumière pour lesquelles il y aura interférence destructive, soit 4 nm, 459 nm, 50 nm, 600 nm. E68. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p 5 et que 33 on a. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) 4p Comme on s intéresse aux longueurs d onde atténuées, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4p + + p Cette équation n a de solution que pour des valeurs entières de et on donne 483 nm et 6 nm, les deux longueurs d onde qui sont atténuées pour la même épaisseur de pellicule. Comme, l équation (i) permet de conclure que,doncque +si on s intéresse à la valeur minimale de l épaisseur. À partir de l équation (i), on écrit + + p p (483 nm) + (6 nm) (i) On arrondit ce résultat et on conclut que 3. Si on reprend l équation (i), on calcule v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 7

14 min + 7 (6 nm) p (5) 869 nm E69. Comme il s agit d une pellicule d indice p 3 plongée dans l air ( ),ona et 0. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4 p 4 p Pour les franges brillantes ou renforcées, avec N et on obtient 4 p 4p + 0 p (i) Pour les franges sombres ou atténuées, ( +) avec N et on obtient 4 p ( +) + 4 p ( +) p (ii) Les équations (i) et (ii) n ont de solution que pour des valeurs entières de. On donne 60 nm, qui est renforcée, et 465 nm, qui est atténuée. Dans les deux cas, il s agit de la même épaisseur de pellicule. Comme et que l on s intéresse à la valeur minimale de l épaisseur, les équations (i) et (ii) permettent de conclure que la même valeur d ordre apparaît dans les deux équations. À partir des équation (i) et (ii), on écrit + 0 p ( +) + 0 ( +) + (60 nm) ( + ) (465 nm) Si on reprend l équation (i), on calcule min + p 3 (60 nm) (3) 355 nm E70. Comme il s agit d une pellicule d indice p 4 comprise entre deux lamelles de verre ( 5), ona 0et. On donne m 00 nm et la pellicule est éclairée par de la lumière blanche (400 nm 700 nm). Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p + 4p + 4p (a) Pour les franges sombres ou atténuées, ( +) avec N et on obtient 4 p + ( +) 4 p p nm Pour et 8, on obtient les longueurs d onde faisant partie de la lumière visible pour lesquelles il y aura interférence destructive, soit 40 nm, 480 nm, 560 nm, 67 nm. 8 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

15 (b) Pour les franges brillantes ou renforcées, avec N et on obtient 4 p p Pour 6 7 et 8, on obtient les longueurs d onde faisantpartiedelalumièrevisible + 4 p 3360 nm pour lesquelles il y aura interférence constructive, soit 448 nm, 57 nm, 6 nm. E7. Pour les franges brillantes, on a + p et tan. (a) Pour la première frange brillante de chacune des longueurs d onde, on a cm 680 nm 45 nm 9 cm (b) Pour la première et la deuxième frange brillante de 45 nm, on a 5 cm 05 cm 360 cm E7. Comme il s agit d une pellicule d indice p 4 plongée dans l air ( ),ona et 0. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4p 4p Pour les franges brillantes ou renforcées, avec N et on obtient 4 p 4p + p (a) L équation (i) n a de solution que pour des valeurs entières de et on donne 4nm et 685 nm, les deux longueurs d onde qui sont renforcées pour la même épaisseur de pellicule. Comme, l équation (i) permet de conclure que,doncque +si on s intéresse à la valeur minimale de l épaisseur. À partir de l équation (i), on écrit + + p p (4 nm) + (685 nm) (i) Si on reprend l équation (i), on calcule min + p 3 (685 nm) (4) 367 nm (b) Pour les franges sombres ou atténuées, ( +) avec N et on obtient 4 p ( +) + 4 p p 08 nm + + Pour, on obtient la longueur d onde faisant partie de la lumière visible pour laquelle il y aura interférence destructive, soit 54 nm. E73. Le passage d une frange indique une longueur d onde. On considère donc la différence du v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 9

16 Problèmes nombre de longueurs d onde dans le tube, soit ( ) 95 franges P. Comme il s agit d une pellicule d indice p 6 plongée dans l air ( ),ona et 0. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4 p 4 p (a) Pour les franges sombres ou atténuées, ( +) avec N et on obtient 4 p ( +) + 4p (+) p L équation (i) n a de solution que pour des valeurs entières de et on donne 504 nm et 67 nm, les deux longueurs d onde qui sont atténuées pour la même épaisseur de pellicule. Comme, l équation (i) permet de conclure que,doncque +si on s intéresse à la valeur minimale de l épaisseur. À partir de l équation (i), on écrit ( +) p ( +) p ( ++) ( +) ( + ) (504 nm) ( + ) (67 nm) Si on reprend l équation (i), on calcule min ( +) p (3)(67 nm) (6) 630 nm (b) Pour les franges brillantes ou renforcées, avec N et on obtient 4 min p + 4 min p min p + Pour 3et 4, on obtient les longueurs d onde faisant partie de la lumière visible pour lesquelles il y aura interférence constructive, soit 448 nm, 576 nm (i) 06 nm + P. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p et que 33 on a. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) 4p (a) Pour les franges brillantes ou renforcées, avec N et on obtient 4 p 4 p p (i) Pour les franges sombres ou atténuées, ( +) avec N et on obtient 30 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

17 4 p ( +) + 4 p + 0 p (ii) Les équations (i) et (ii) n ont de solution que pour des valeurs entières de. On donne 680 nm, qui est brillante, et 544 nm, qui est absente. Dans les deux cas, il s agit de la même épaisseur de pellicule. Comme et que l on s intéresse à la valeur minimale de l épaisseur, les équations (i) et (ii) permettent de conclure que la même valeur d ordre apparaît dans les deux équations. À partir des équation (i) et (ii), on écrit p (680 nm) + (544 nm) Si on reprend l équation (i), on calcule min p (680 nm) () 567 nm (b) Pour 3dans l équation (i), on obtient la seule autre longueur d onde faisant partie de la lumière visible pour laquelle il y aura interférence constructive. En effet, min p 36 nm nm P3. La phase étant de 4 on peut dire que la différence de marche sera de ( )(4) 0 6 m Ainsi, par sin on a 4( 0 6 ) 60 cm Le décalage de 6 cm se fait vers le haut, car le trajet du rayon du haut est le plus court. P4. On suppose que le rayon initial voyage dans l air ( ) Comme p et que 5 on a. Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p +( ) 4 p (a) Comme on s intéresse aux longueurs d onde atténuées, la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4 p + + p Cette équation n a de solution que pour des valeurs entières de et on donne 406 nm et 5 nm, les deux longueurs d onde qui sont atténuées pour la v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 3 (i)

18 même épaisseur de pellicule. Comme, l équation (i) permet de conclure que,doncque +si on s intéresse à la valeur minimale de l épaisseur. À partir de l équation (i), on écrit + + p p (406 nm) + (5 nm) Si on reprend l équation (i), on calcule min + p 7 (5 nm) () 76 nm (b) Pour les franges brillantes ou renforcées, avec N et on obtient 4 min p 4 min p min p 864 nm Pour 3et 4, on obtient les longueurs d onde faisant partie de la lumière visible pour lesquelles il y aura interférence constructive, soit 457 nm, 609 nm P5. Comme il s agit d une pellicule d indice p 5 plongée dans l air ( ),ona et 0. On donne 900 nm et la pellicule est éclairée par de la lumière blanche (400 nm 700 nm). Au moyen de l équation 6., on exprime la différence de phase subie par le rayon qui voyage dans la pellicule mince : PS +( ) p 4 p 4 p (a) On cherche les longueurs d onde atténuées et la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence destructive. Ainsi, ( +) avec N et on calcule 4 p ( +) 4 p + p 700 nm + + Pour 3 4 et 5, on obtient les longueurs d onde faisantpartiedelalumièrevisible pour lesquelles il y aura interférence destructive, soit 450 nm, 540 nm, 675 nm. (b) On cherche maintenant les longueurs d onde renforcées et la différence de phase doit prendre les valeurs de l interférence constructive. Ainsi, avec N et on calcule 4 p 700 nm + p p + Pour 4 5 et 6, on obtient les longueurs d onde faisantpartiedelalumièrevisible pour lesquelles il y aura interférence constructive, soit 45 nm, 49 nm, 600 nm. P6. Les rayons subissent un déphasage de en raison des indices de réfraction des milieux qu ils rencontrent. Selon l exemple 6.6, on sait que et que p Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5

19 On pose donc que la distance entre le bord mince et la 0 e frange brillante ( 9) est où p p (5) 00 m P7. On peut trouver directement en combinant les équations et + 0 : ( ) 35 À cause de la valeur 0 il y a donc 35 + P8. On utilise l équation 6.9 où l on substitue 050 (4 ),onobtient 050 (4 )4 cos nm cos 00 nm 36 franges brillantes. pour la phase. Pour 400 nm et 05 cos 0707 On peut maintenant calculer la longueur d onde pour laquelle on aurait, au même endroit, 064 (4 ) : 064 (4 )4 cos cos 064 cos arccos(0800) ( ) arccos(0800) 488 nm P9. Par l équation.5c, onsaitque Ainsi, on obtient les positions des maxima et des minima recherchés au moyen des équations 6.4 et 6.5 : (a) 0tan arcsin 0tan arcsin 340 (300) 688 m (b) 0tan arcsin 0tan arcsin 340 ()(300) 688 m P0. (a) Les franges qui apparaissent par intermittence sont associées à l alternance des interférences constructives et destructives en fonction de la différence de marche. (b) On aura interférence constructive pour les épaisseurs et telle que ( +) nm 98 ( +) 06 (589nm) ( ) 98( ) 090 mm P. L épaisseur de la pellicule de plastique doit contenir oscillations supplémentaires complètes de la lumière que pour le pic central se situe là où.ainsi,sioncompte le nombre de ces oscillations dans le vide et dans le plastique, on obtient plastique ( ) 30 m P. (a) On observe des franges circulaires dont on pourra trouver les rayons en posant que v5 Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) 33

20 cos pour la différence de marche. (b) Par l approximation des petits angles, on sait que sin q cos P3. Un décalage de 40 franges indique que ( ) P4. La différence de phase vient de trois contributions. La première est liée à la distance parcourue dans la pellicule par le rayon, cos, la seconde vient de la réflexion dure du rayon au bas de la pellicule ( ) et, finalement, la troisième vient de l avance parallèle du rayon sur le rayon après sa réflexion sur la face du haut, sin sin sin sin cos. À cause de la loi de la réfraction, sin sin de sorte que sin cos Avec p, la condition d interférence destructive entre les deux rayons s exprime comme suit ( N) : ( +) p + cos sin cos cos cos CQFD sin cos P5. Avec la condition de départ fournie, on sait, puisqu il y a déjà un déphasage de rad, que la pellicule possède une épaisseur p donc que (a) La phase s exprimant par on trouve ( ) 549 rad (b) De même, pour 700nm, on détermine que 80 rad (c) En posant l équation 6.9 de la façon suivante, on obtient pour cos (d) On calcule ensuite pour : cos Ondes, optique et physique moderne, Chapitre 6 : L optique physique (I) v5