TP Diffraction et Interférence DIFFRACTIONS ET INTERFERENCES

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1 OBJECTIFS Observation de la diffraction. Observation des interférences. I ) DIFFRACTION D ONDES A LA SURFACE DE L EAU Sur la photographie ci-dessous, on observe que les vagues, initialement rectilignes, deviennent circulaires après le passage par l ouverture : l onde est diffractée par l ouverture. Quelles sont les conditions pour observer ce phénomène? DIFFRACTIONS ET INTERFERENCES Utiliser les photos de l annexe 1 - La longueur «L toise» de la toise est de 10 cm pour les deux photographies. Photographie 1 : Les ondes mécaniques observées après passage de la fente sur la photographie 1, sont-elles semblables aux ondes incidentes? ; Déterminer l échelle correspondante Mesurer avec précision les longueurs d onde λ 1av. et λ 1ap. des ondes mécaniques observées sur la avant et après le passage de la fente. La longueur d onde est-elle modifiée lors du passage de l onde par la fente? Comparer la longueur d onde avec la largeur de la fente Photographie2 : Les ondes mécaniques observées après passage de la fente sur la photographie 2, sont-elles semblables aux ondes incidentes? Obtient-on une figure de diffraction? Comparer la longueur d onde avec la largeur de la fente Photographie3 : Comparer la longueur d onde avec la largeur de la fente Lancer «cuve.swf» II ) DIFFRACTION D ONDES LUMINEUSES MONOCHROMATIQUES Si un faisceau laser parvient à un écran sans rencontrer d obstacle intermédiaire, il apparaît une simple tâche lumineuse à l endroit où le faisceau rencontre l écran. Si ce même faisceau laser passe à travers une fente de largeur a avant de parvenir à l écran, il apparaît une figure de diffraction 1

2 Si ce même faisceau laser passe à travers un trou de diamètre a avant de parvenir à l écran, il apparaît une figure de diffraction en utilisant les résultats de I), indiquer la condition d observation de la diffraction (comparer a et λ ) Objectif : Il s agit de déterminer la longueur d onde λ du faisceau laser utilisé à partir des figures de diffraction avec une fente. Matériel expérimental : Vous disposez du matériel suivant : laser HeNe, trois fentes de largeurs différentes, banc optique, écran, webcam et logiciel Regressi. Protocole expérimental : Placez les différents éléments comme indiqué sur la figure ci-dessous. Choisissez la fente la plus étroite pour commencer l expérience. Faire l acquisition d une image puis faire de même avec les autres fentes Exploitation Déterminez la demi-largeur i de la frange centrale et minimisez les erreurs de mesure en suivant les étapes suivantes : o Mesurez la distance totale 2x entre deux franges sombres éloignées de la frange centrale. Plus la distance 2x est grande plus l erreur de mesure est petite. o Comptez le nombre N de franges dans l intervalle 2x. La frange centrale compte pour 2franges lumineuses de part et d autre du centre de l image de diffraction. o Notez vos mesures dans le tableau ci-dessous Répétez ensuite l expérience pour les deux autres fentes. D en m 2x en m a en m N i en m 1, , , ,

3 Représentez i en fonction de déterminez la pente de la droite! Utilisez la relation longueur d onde λ du faisceau laser utilisé. Lancer «diffractionfente.swf» III ) INTERFERENCES D ONDES LUMINEUSES MONOCHROMATIQUES III.1.Analogies mécanique-optique: Une fourche munie de deux pointes est fixée à l extrémité d un vibreur. Les ponts O 1 eto 2 ont ainsi la même fréquence et constituent deux sources cohérentes. Elles font naitre à la surface de l eau des ondes circulaires dans Regressi et faites une régression linéaire sur ces points. et la valeur de la pente obtenue précédemment pour déterminer la C'est le cas en optique si deux faisceaux lumineux se rencontrent et ce sous certaines conditions que nous verrons plus tard. Prenons le cas typique de deux ondes mécaniques identiques qui se propagent sur l'eau: leur amplitude respective s'ajoute à tout moment lors de l'interférence des deux ondes. - sommet + sommet = sommet = mouvement = onde dites en phase - creux + creux = creux = mouvement = ondes en phase - creux + sommet = "rien" = pas de mouvement = onde en opposition de phase Finalement, en optique on peut de la même façon observer: - lumière + lumière = lumière mais aussi lumière + lumière = obscurité. Conditions d'observation: Les zones d'obscurité ne s'observent que sous certaines conditions très précises pour les deux sources lumineuses : S1 et S2 sont des sources secondaires; elles sont dites cohérentes car elles émettent deux ondes de même et en phase. Cette condition de cohérence est indispensable pour observer des interférences. 3

4 III.2. diffraction de la lumière monochromatique par une double-fente But de l expérience Il s agit de déterminer a (distance entre les deux fentes) à partir des figures d interférence créées avec une doublefente. Rappel théorique : L interfrange i est donné par la formule suivante: i = avec: λ: longueur d onde du laser a: distance entre les deux fentes ; D: distance entre l écran d observation et la double-fente Matériel expérimental : Vous disposez du matériel suivant : laser HeNe, trois double-fentes de largeurs différentes, banc optique, écran, Protocole expérimental Placez les différents éléments comme indiqué sur la figure ci-contre. Choisissez la double-fente la plus étroite pour commencer l expérience. Choisissez une distance D suffisamment grande entre l écran et la double-fente de largeur a afin d obtenir une figure d interférence bien visible! Attention : Pendant les mesures on laisse la distance D inchangée. Déterminez l interfrange i pour les différentes double-fentes. (utiliser régavi et transférer ensuite les données dans Régressi) Exploitation des images obtenues Avec un logiciel de lecture d intensité lumineuse (Regavi pour Regressi) Lancer Regavi et Regressi Choisir : Le logiciel permet l étalonnage de l image Aligner la droite sur la figure de diffraction. Le logiciel détermine la composante RVB (ici on sélectionne seulement la composante Rouge) de chaque pixel. On visualise en bas de l écran la courbe d intensité lumineuse. Transferer dans Régressi et effectuer les mesures (Afin de minimiser l erreur sur cette mesure on mesurera la distance entre plusieurs franges et on déterminera ensuite i.) Calculer les différentes valeurs de a Données : 1 graduation représente 1 cm ; D = 1790 mm ; 4

5 Images concernées : «2 fentes 1» ; 2 fentes 2 et 2 fentes 3 Lancer «interférence.swf» III.3.Interférence en lumière blanche On réalise une figure d'interférence lumineuse avec de la lumière blanche. Attention : Cette manipulation est délicate à mettre en œuvre. Le dispositif comprend une lampe munie d un condenseur, une fente simple (pour obtenir une source ponctuelle), une double-fente (pour obtenir deux source ponctuelles cohérentes), une lentille (pour améliorer éventuellement la figure d'interférence) et enfin un écran d observation. On obtient : En utilisant les documents de l annexe 4, Décrire l irisation des franges et expliquer pourquoi les franges sont irisées. 5

6 Photo 1 : fente 58 mm f = 30 Hz Annexe 1 Photo 2 : fente 13 mm f = 30 Hz Photo 3 : 6

7 Annexe 2 : Diffraction lumineuses par une fente D =1,64 m 7

8 Annexe 3 : Interférences ondes lumineuses monochromatiques Fig 1. Fig 2. Fig 3. Fig 4. 8

9 Annexe 4 : Interférences lumière blanche Lancer «interférence.swf» choisir lumière blanche 9

10 NOTICE «JEULIN» 4 diapositives format 50 x 50 mm : 1 lettre "F" 1 diapo avec 3 fentes simples : 0,1-0,2-0,4 mm 1 diapo avec 3 doubles fentes : largeur 0,1 mm ; écartement 0,3-0,4-0,6 mm 1 diapo avec 3 trous ø 0,1-0,2-0,4 mm Précision : env. 20 % 10

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