Chapitre 3 : Propriétés des ondes :

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1 Chapitre 3 : Propriétés des ondes : I- La diffraction TP 1 : diffraction Activité 1 : Phénomène de diffraction 1- Doc 1 : Quelle expérience présente une figure de diffraction? 2-Comment définiriez vous la diffraction? 3- Dans quelles conditions observe-t-on le phénomène de diffraction? 4- Que pouvez-vous dire de la longueur d'onde de l'onde avant et après diffraction? A votre avis, quand est-il de la fréquence? Doc 1 : Onde à la surface de l'eau : - (1) à travers une fente de largeur 5,0cm. - (2) à travers une fente de largeur 1,0cm Activité 2 : Diffraction du son Deux ondes sonores de fréquences 20 Hz et 20kHz pénètre dans une pièce à travers l'ouverture d'une fenêtre de largeur 50cm. La célérité des ondes sonores est c=340m.s -1. Laquelle de ces ondes ne pourra être entendue que par personne en face de la fenêtre? Activité 3 : Diffraction d'une onde lumineuse : 1- A l'aide des documents, décrire l'influence des paramètres suivants sur le figure de diffraction : (justifier votre réponse). La largeur a de l'ouverture La longueur d'onde λ La demi-ouverture angulaire θ (exprimée en radian) de la tache centrale de diffraction définie dans le document 2, vérifie la relation : θ= λ a. 2- Etablir la relation donnant la largeur de la tache centrale. (En vous souvenant que si un angle Θ est petit alors : tanθ Θ). 3- En déduire la longueur d'onde du laser vert du doc1. 4- Déterminer la largeur de la fente utilisée lors de l'expérience 3 du document 1. Echelle : 1cm sur la photo représente 1,2 cm dans la réalité. Doc 2 : Diffraction de la lumière à travers une fente (D = 3,0 m) Doc 3 : Figures de diffraction obtenues avec - (1) un laser rouge (λ=650 nm) et une fente de largeur a = 280 µm. - (2) un laser vert et une fente de largeur a = 280 µm. - (3) un laser rouge (λ=650 nm) et une fente de largeur a < 280 µm

2 II Interférences TP 2 : Interférences : En physique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses, mais il s'obtient également avec des ondes électromagnétiques d'autres longueurs d'onde, ou avec d'autres types d'ondes comme les ondes sonores. 1) Interférences en lumière monochromatique 1- Schématiser la figure d'interférence en prenant soin de déterminer les distances caractéristiques de la figure et le phénomène observé. 2- Sur le schéma, montrer ou se trouvent les franges sombres et les franges brillantes. 3- La formule (qui n'est pas à connaitre!) permettant de calculer l'interfrange i en fonction des paramètres du système est : i= λ.d Doc 1 : L'expérience des trous d'young b Sachant que le laser rouge a une longueur d'onde de 650nm, que la distance D est de 2,00 m et que l'on mesure un interfrange de 0,86 cm, calculer la distance séparant les deux trous. 4- On considère que le laser envoie une onde incidente telle qu'indiqué dans le document 2. Cette onde se divise au niveau de la plaque trouée. La figure d'interférence observable sur l'écran est la superposition de ces deux ondes. a- Expliquer à l'aide de schéma, ce que sont deux ondes Doc 2 : Onde progressive sinusoïdale issue du laser en phase et deux ondes en opposition de phase. b- Quel est le lien entre ces deux configurations et les franges brillantes et sombres visible sur l'écran. c- A quelle moment peut-on dire que les interférences sont constructives? Destructives? Le schéma ci-dessous nous indique les résultats obtenus lors de la superposition de deux faisceaux issus d'un même laser. On observe donc au point P 1 des interférences constructives et au point P 2 des interférences destructives. En un point P (P 1 ou P 2 ), il y a superposition de deux faisceaux : un issu du trou S 1 et l'autre issu du trou S 2. Avant d'atteindre le point P, ces deux faisceaux ne parcourent pas le même chemin. On défini alors la différence de marche δ comme étant la différence de parcourt entre les deux faisceaux : δ= S 2 P S 1 P

3 P 1 Faisceau laser S 1 S 2 P 2 Trous d'young Ecran 2) Interférences en lumière polychromatique Expliquer à l'aide de vos connaissances et des documents pourquoi une bulle de savon parait-elle colorée. Vous illustrerez votre réponse à l'aide de schéma. Doc 1 : Bulle de savon et irisation III Effet Doppler TP 3 : Effet Doppler

4 CORRECTION Chapitre 3 : Activité 1 : Phénomène de diffraction 1- Doc 1 : Quelle expérience présente une figure de diffraction? La figure 2 car dans la figure 1 l'onde est simplement diaphragme, il garde la même direction de propagation, l'onde est toujours à un dimension. Alors que l'onde (2) passe de 1D à 2D. Doc 1 : Onde à la surface de l'eau : - (1) à travers une fente de largeur 5,0cm. - (2) à travers une fente de largeur 1,0cm 2-Comment définiriez vous la diffraction? La diffraction est la déformation, le changement de direction de propagation d'un onde au passage d'un obstacle. 3- Dans quelles conditions observe-t-on le phénomène de diffraction? On l'observe si la taille de l'obstacle n'est pas trop grande devant la longueur d'onde. 4- Que pouvez-vous dire de la longueur d'onde de l'onde avant et après diffraction? A votre avis, quand est-il de la fréquence? La longueur d'onde ne change pas avant et après l'obstacle (on peut mesure sur la photo). Il en est de même pour la fréquence. Activité 2 : Diffraction du son Deux ondes sonores de fréquences 20 Hz et 20kHz pénètre dans une pièce à travers l'ouverture d'une fenêtre de largeur 50cm. La célérité des ondes sonores est c=340m.s -1. Laquelle de ces ondes ne pourra être entendue que par personne en face de la fenêtre? L'onde sera entendue uniquement face à la fenêtre qui si elle est diaphragmée sans être diffractée. Il faut donc étudier si l'onde sera diffractée ou non, pour cela il faut que la taille de l'obstacle soit du même ordre de grandeur que les longueurs d'onde. Calcul des longueurs d'onde : λ= c f 20Hz : λ 1 = =17m pour 20kHz : λ 2 = =1, m=17 cm Est-ce-que ces ondes seront diffractée par l'ouverture? Pour 20Hz : ouverture grande par rapport à la longueur d'onde, donc l'onde sera très peu diffractée. ( λ a =340 ) Pour 20kHz : ouverture du même ordre de grandeur que la longueur d'onde ( λ =0,34 ), il y a a diffraction très marquée. Conclusion : L'onde de 20kHz sera bien diffractée donc se propage dans toute la pièce, alors que celle de 20Hz sera juste diaphragmée donc on l'entend que face à l'ouverture. Activité 3 : Diffraction d'une onde lumineuse : 1- A l'aide des documents, décrire l'influence des paramètres suivants sur le figure de diffraction : (justifier votre réponse). La largeur a de l'ouverture La longueur d'onde λ La demi-ouverture angulaire θ (exprimée en radian) de la Doc 2 : Diffraction de la lumière à travers une fente (D = 3,0 m)

5 tache centrale de diffraction définie dans le document 2, vérifie la relation : θ= λ a. Influence de a : il faut comparer les figures où seul le paramètre a est modifié : On compare donc (1) et (3) et on remarque que si a augmente alors la largeur de la tache centrale augmente. (Il est donc logique que l'angle soit inversement proportionnel à a) Influence de λ : On compare (1) et (2) : si λ augmente, on voit que la tache centrale est plus large (c'est donc proportionnel à λ) 2- Etablir la relation donnant la largeur de la tache centrale. (En vous souvenant que si un angle Θ est petit alors : tanθ Θ). D'après le schéma tan Θ= L/2 D Θ λ a On en déduit : L= 2 λ D a 3- En déduire la longueur d'onde du laser vert du doc1. On mesure sur la photo la largeur de la page centrale (attention l'échelle est donnée pour le cas où le document de cours est imprimé sur une demi-page... ) L 0,9cm 1,1cm dans la réalité. λ= L a D =1, =5, m=513nm 2 3,0 4- Déterminer la largeur de la fente utilisée lors de l'expérience 3 du document 1. Sur la photo 3 : L 2,7cm 3,2cm dans la réalité a= 2 λ D L = ,0 =1, m=122μ m 3, Echelle : 1cm sur la photo représente 1,2 cm dans la réalité. Doc 3 : Figures de diffraction obtenues avec - (1) un laser rouge (λ=650 nm) et une fente de largeur a = 280 µm. - (2) un laser vert et une fente de largeur a = 280 µm. - (3) un laser rouge (λ=650 nm) et une fente de largeur a < 280 µm

6 II Interférences TP 2 : Interférences : En physique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses, mais il s'obtient également avec des ondes électromagnétiques d'autres longueurs d'onde, ou avec d'autres types d'ondes comme les ondes sonores. 1) Interférences en lumière monochromatique 1- Schématiser la figure d'interférence en prenant soin de déterminer les distances caractéristiques de la figure et le phénomène observé. 2- Sur le schéma, montrer ou se trouvent les franges sombres et les franges brillantes. 3- La formule (qui n'est pas à connaitre!) permettant de calculer l'interfrange i en fonction des paramètres du système est : i= λ.d b Doc 1 : L'expérience des trous d'young Sachant que le laser rouge a une longueur d'onde de 650nm, que la distance D est de 2,00 m et que l'on mesure un interfrange de 0,86 cm, calculer la distance séparant les deux trous.

7 b= λ.d = ,00 =1, m=151μ m i 0, On considère que le laser envoie une onde incidente telle qu'indiqué dans le document 2. Cette onde se divise au niveau de la plaque trouée. La figure d'interférence observable sur l'écran est la superposition de ces deux ondes. a- Expliquer à l'aide de schéma, ce que sont deux ondes en phase et deux ondes en opposition de phase. 2 ondes en phases : les maximums coïncident 2 ondes en opposition de phase : b- Quel est le lien entre ces deux configurations et les franges brillantes et sombres visible sur l'écran. Opposition de phase : Les 2 ondes s'annulent : on n'a plus de lumière frange sombre interférences destructives En phase : les 2 s'additionnent frange brillante interférences constructives c- A quel moment peut-on dire que les interférences sont constructives? Destructives? Le schéma ci-dessous nous indique les résultats obtenus lors de la superposition de deux faisceaux issus d'un même laser. On observe donc au point P 1 des interférences constructives et au point P 2 des interférences destructives. En un point P (P 1 ou P 2 ), il y a superposition de deux faisceaux : un issu du trou S 1 et l'autre issu du trou S 2. Avant d'atteindre le point P, ces deux faisceaux ne parcourent pas le même chemin. On défini alors la différence de marche δ comme étant la différence de parcourt entre les deux faisceaux : δ= S 2 P S 1 P

8 Pour avoir des franges brillantes, il faut que la différence de marche soit un multiple de la longueur d'onde : δ=n λ Pour avoir des franges sombres : la différence de marche doit être un multiple de la moitié de la longueur d'onde : δ=(2n+1) λ 2) Interférences en lumière polychromatique Expliquer à l'aide de vos connaissances et des documents pourquoi une bulle de savon parait-elle colorée. Vous illustrerez votre réponse à l'aide de schéma. Doc 1 : Bulle de savon et irisation

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