Chapitre 3 : Propriétés des ondes

Transcription

1 Chpitre 3 : Propriétés des ondes I- Diffrction des ondes Cours p. 67 L diffrction d'une onde peut se produire lorsque l'onde trverse une ouverture ou frnchit un obstcle. Les ondes mécniques se diffrctent : des ondes à l surfce de l'eu peuvent subir un chngement de direction lorsqu'elle psse à trvers une ouverture. L lumière peut églement subir l diffrction u pssge d'une fente. 1) Générlités sur l diffrction ) Montrer que le document 1 illustre bien le phénomène de diffrction. b) A l'ide des documents, décrire l'influence des prmètres suivnts sur le figure de diffrction : Le type d'onde (mécnique ou électromgnétique) L lrgeur de l'ouverture L longueur d'onde L fréquence f 2) Diffrction d'une onde lumineuse monochromtique L demi-ouverture ngulire θ (exprimée en rdin) de l tche centrle de diffrction définie dns le document 2, vérifie l reltion : θ= ) En déduire l longueur d'onde du lser vert. (Doc 3). L'expression littérle du clcul de l longueur d'onde en fonction des prmètres connus est demndée. Doc 1 : Onde à l surfce de l'eu - (1) à trvers une fente de lrgeur 5,0 cm - (2) à trvers une fente de lrgeur 1,0 cm b) Déterminer de même l lrgeur de l fente utilisée pour l figure 3 du document 3. pour les deux situtions du document 1. En déduire une condition pour que le phénomène de diffrction soit à prendre en compte. c) Déterminer l vleur du rpport Doc 2 : Diffrction de l lumière à trvers une fente (D = 3,0 m) Doc 3 : Figures de diffrction obtenues vec : - (1) un lser rouge (=650 nm) et une fente de lrgeur = 280 µm. - (2) un lser vert et une fente de lrgeur = 280 µm. (d=1,1cm) - (3) un lser rouge (=650 nm) et une fente de lrgeur < 280 µm (d=3,6 cm) 3) Diffrction d'une onde lumineuse polychromtique : cs de l lumière blnche. Que se psse-t-il si l'on éclire l fente de lrgeur = 280µm en lumière blnche?

2 A retenir : Rédiger un biln sur le phénomène de diffrction indiqunt : L nture des ondes touchées pr ce phénomène Les conditions d'observtion du phénomène Les impcts de ce phénomène sur les différentes grndeurs physiques crctéristiques (en lumière monochromtique et en lumière polychromtique) L formule (A connitre!) II- Interférences Cours p En physique ondultoire, on prle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et intergissent l'une vec l'utre. Ce phénomène pprît souvent en optique vec les ondes lumineuses, mis il s'obtient églement vec des ondes électromgnétiques d'utres longueurs d'onde, ou vec d'utres types d'ondes comme les ondes sonores. 1) Interférences en lumière monochromtique 1) Schémtiser l figure d'interférences en prennt soin de déterminer les distnces crctéristiques de l figure et le phénomène observé. 2) Sur le shém, montrer ou se trouvent les frnges sombres et les frnges brillntes. Indiquer ou se situe l'interfrnge i. Doc 1 : L'expérience des trous d'young 3) L formule (qui n'est ps à connitre!) permettnt de clculer l'interfrnge i en fonction des prmètres du système est :.D i= b Schnt que le lser rouge une longueur d'onde de 650nm, que l distnce D est de 2,00 m et que l'on mesure un interfrnge de 0,86 cm, clculer l distnce séprnt les deux trous. 4) On considère que le lser envoie une onde incidente telle qu'indiqué dns le document 2. Cette onde se divise u niveu de l plque trouée. L figure d'interférence observble sur l'écrn est l superposition des deux ondes résultntes. ) Expliquer à l'ide de schém, ce que sont deux ondes en phses et deux ondes en opposition de phse. b) Quel est le lien entre ces deux configurtions et les frnges brillntes et sombres visible sur l'écrn. c) A quel moment peut-on dire que les interférences sont constructives? Destructives? Doc 2 : Onde progressivesinusoïdle issue du lser Le schém ci-dessous nous indique les résultts obtenus lors de l superposition de deux fisceux issus d'un même lser. On observe donc u point P1 des interférences constructives et u point P2 des interférences destructives. En un point P (P1 ou P2), il y superposition de deux fisceux : un issu du trou S 1 et l'utre issu du trou S2. Avnt d'tteindre le point P, ces deux fisceux ne prcourent ps le même chemin. On défini lors l différence de mrche δ comme étnt l différence de prcourt entre les deux fisceux : δ = S 2 P S 1 P

3 P1 Fisceu lser S1 S2 P2 Trous d'young Ecrn 5) Déterminer une condition entre l longueur d'onde du lser et l différence de mrche pour obtenir des interférences : - construcives (P 1) Doc 1 : Bulle de svon et iristion Doc 2 : Schém d'une bulle de svon III- Effet Doppler Cours p TP 3 : L'effet Doppler Documents : Illustrtions de l'effet Doppler

4 Chpitre 3 : Propriétés des ondes (Réponses) 1) Générlités sur l diffrction ) Montrer que le document 1 illustre bien le phénomène de diffrction. Sur le document 1, on observe que lorsqu'une onde rrive sur un obstcle, dns certines conditions, s direction de propgtion : c'est le phénomène de diffrction. b) A l'ide des documents, décrire l'influence des prmètres suivnts sur le figure de diffrction Le type d'onde (mécnique ou électromgnétique) L lrgeur de l'ouverture L longueur d'onde L fréquence f Toute onde peut être diffrctée : les ondes électromgnétiques et les ondes mécniques. Lors de l diffrction, seule l direction de propgtion de l'onde est modifiée. L longeur d'onde reste inchngée (mesure). L célérité d'une onde, dépendnt uniquement du milieu dns lequel elle se propge, reste ussi inchngée. On en déduit que l fréquence reste ussi constnte ( f =v ) 2) Diffrction d'une onde lumineuse monochromtique ) En déduire l longueur d'onde du lser vert. (Doc 3). L'expression littérle du clcul de l longueur d'onde en fonction des prmètres connus est demndée. θ= d Or 2 tn θ= θ D.d ( , ) = =510 nm 2D (2 3,0) b) Déterminer de même l lrgeur de l fente utilisée pour l figure 3 du document 3..d = 2D.d d'ou : = 2D Il mnque une donnée pour fire le clcul : on ne connit ps l tille de l tche centrle d D'ou : =θ = pour les deux situtions du document 1. En déduire une condition pour que le phénomène de diffrction soit à prendre en compte. c) Déterminer l vleur du rpport = Cs 2 : = Cs 1 : 0,5 = (ordre de grndeur 10-1) 2,5 2,5 = 1 (ordre de grndeur 100 = 1) 2,5 On constte qu'il y réfrction lorsque l longueur d'onde est de l'ordre de grndeur de l dimension de l'objet diffrctnt. Si >> il n'y plus diffrction. (>> veut dire "très grnd devnt") Remrque : Cette reltion est vri pour les ondes mécniques Pour les ondes lumineuses, il y diffrction à prtir du moment ou < 10 3

5 3) Diffrction d'une onde lumineuse polychromtique : cs de l lumière blnche. Que se psse-t-il si l'on éclire l fente de lrgeur = 280µm en lumière blnche? L lumière blnche est une lumière polychromtique. C'est à dire qu'elle est constituée de plusieurs longueurs d'ondes. D'près l formule (à connitre!) θ=, on voit que l figure de diffrction dépend de l longueur d'onde. C'est à dire que chque longueur d'onde (correspondnt à l couleur) donner une figure de diffrction. On observer donc une tche centrle blnche (cr toute les rditions se superposent u milieu) et ensuite, sur les cotés, il y ur des iristions. (voir figure 3 pge 67 de votre livre)

6 A retenir : Rédiger un biln sur le phénomène de diffrction indiqunt : L nture des ondes touchées pr ce phénomène Les conditions d'observtion du phénomène Les impcts de ce phénomène sur les différentes grndeurs physiques crctéristiques (en lumière monochromtique et en lumière polychromtique) L formule (A connitre!) Toutes les ondes (mécnique et electromgnétique) peuvent être touchée pr le phénomène de diffrction. C'est à dire que sous certines conditions, l direction de propgtion de l'onde chnge lorsqu'elle rencontre un obstcle. Pour pouvoir l'observer, une condition est necessire. C'est que le rpport doit être proche de 1 (jusqu'à 10-3 pour les ondes EM). Cel signifie que l longueur d'onde est de l'ordre de grndeur de l'objet diffrctnt. L diffrction influe ni sur l vitesse de l'onde, ni sur s longueur d'onde ni sur se fréquence. (lié c pr l reltion = ) f L figure de diffrction dépend de l longueur d'onde. C'est pour cel que l'on observe des iristion lorsque l'on trville en lumière blnche. L demi-ouverture ngulire θ (exprimée en rdin) de l tche centrle de diffrction obtenue grce à une fente de lrgeur vérifie l reltion : θ=

7 II- Interférences 1) Interférences en lumière monochromtique 1) et 2) (1) tche due à l diffrction pr les trous (2) Frnche dues ux interférences entres les deux ondes issues de S1 et S2 (interfrnge : distnce entre deux frnges sombres ou deux.d frnges clires : i = ) b Sur l écrn, on obtient une figure de diffrction, sous l forme d un disque, due à l dimension des trous. De plus, on observe une lternnce de frnges sombres et brillntes. Elles sont selon un xe perpendiculire à (S1 S2). Ce sont des frnges d interférences. L distnce entre deux frnges brillntes consécutives est constnte. Cette distnce i est nommée interfrnge. 3) i=.d.d donc b= (toutes ces grndeurs sont en mètre) b i 9 b= ,00 = 1, m 0, L distnce entre les deux trous est de 1, m 4) Les ondes qui rrivent en phse sont constructives. C'est à dire que l'onde résultnte de l somme des deux devient une onde d'mplitude deux fois plus importnte. Cette configurtion donne donc une frnge brillnte. Les ondes qui rrivent en opposition de phse sont destructives. C'est à dire que l'intensité résultnte de l somme des deux devient une constnte. Ce n'est donc plus une onde. (pour que ce soit une onde, on doit voir des ondultions) Cette configurtion donne donc une frnge sombre.

8 2) Interférences en lumière polychromtique L lumière blnche est polychromtique, c'est à dire qu'elle est constitué de plusieurs longueurs d'ondes (chque longueur d'onde crctérise une couleur) -> Une bulle de svon est constitué d'un film fin d'eu. Ce film, écliré en lumière blnche, v séprer le fisceu incident en 2 fisceux (cf schém). Les 2 fisceux issuent d'une même source incidente, vont pouvoir interférer. Or,l figure d'interférence dépend de l longueur d'onde. Chque rdition ur s propre figure d'interférences. L figure d'interférences se fer dns l'oeil. - A certins endroits sur l rétine, certines longueurs d'ondes interfereront en phse (interférences constructives) : on verr donc cette couleur. - A d'utre endroit, certines longueurs d'ondes interfereront en opposition de phse (interférences destructives) : il y ur estinction de ces couleurs. On observer donc des iristions, que l'on ppelle dns ce cs des couleurs interférentielles. Exemples de couleurs interférentielles nturelles : (1) ppillon Morpho, (2) Tche d'huile, (3) pon