Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE - Chapitre IV Classe de Ter S

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1 Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE - Chapitre IV Classe de Ter S Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Les compétences à acquérir - Savoir que l importance du phénomène de diffraction est liée au rapport de la longueur d onde λ aux dimensions de l ouverture ou de l obstacle a. - Connaître et exploiter la relation θ = λ/a. - Identifier les situations physiques où il est pertinent de prendre en compte le phénomène de diffraction. - Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier ou utiliser le phénomène de diffraction dans le cas des ondes lumineuses. - Connaître et exploiter les conditions d interférences constructives et destructives pour des ondes monochromatiques. - Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier quantitativement le phénomène d interférence dans le cas des ondes lumineuses. Cas des ondes lumineuses monochromatiques, cas de la lumière blanche. Couleurs interférentielles. - Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour mesurer une vitesse en utilisant l effet Doppler. - Exploiter l expression du décalage Doppler de la fréquence dans le cas des faibles vitesses. - Utiliser des données spectrales et un logiciel de traitement d images pour illustrer l utilisation de l effet Doppler comme moyen d investigation en astrophysique Partie A : Phénomène de diffraction I- Que se passe-t-il lorsqu une onde mécanique ou de la lumière rencontre un obstacle ou un trou? Le 26 décembre 2004, lors du tremblement de terre à Malé aux Maldives, il se produit un Tsunami. Qu observe-t-on dans la mer tasman entre l Australie et la Nouvelle Zélande? Reproduisons ce phénomène dans une cuve à onde : Remplaçons maintenant l onde mécanique par un faisceau très fin issu d un laser? Conclusion : Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 1

2 II Etude du phénomène de diffraction : 1- Expérience : L expérience de diffraction en utilisant des fentes de taille différente nous permet de dire que: Plus la largeur a de la fente est faible, plus la lumière s étale et plus la largeur L de la tâche centrale de la figure de diffraction est Essayons de confirmer nos observations par une étude théorique. 2- Etude théorique : a- Etude géométrique du montage : Exprimez l angle (téta) de réfraction en fonction de la distance D, séparant la fente de dimension a et l écran, et la largeur L de la tache centrale de diffraction sachant que l angle est petit. b- Définition de l écart angulaire : L'écart angulaire est l angle sous lequel est vue la moitié de la tache centrale depuis l'objet diffractant : Il existe une relation entre, et a pour une fente fine avec écart angulaire en radian (rad), longueur d'onde en mètre (m) a dimension de l'objet diffractant en mètre (m) Ecart angulaire s exprime en radian (rad) c- Exploitation des 2 relations précédentes et : Comme en TP, nous pouvons construire la courbe L = f(1/a) pour différentes tailles de fente en utilisant un laser défini par une longueur d onde laser = 650 nm et une distance D=1,77 m Nous montrerons que la courbe L = f(1/a) est Donc L et 1/a sont : 1 L = a Calcul du coefficient de proportionnalité k Deux points A et B sont choisis sur la droite et dont les coordonnées sont faciles à lire A( ; ) et B( ; ) Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 2

3 Calcul du coefficient directeur d une droite k = Montrons avec les relations 1 et 2 que L et 1/a sont bien proportionnels Calculons la longueur d onde exp et comparons là avec celle donnée par le constructeur Partie B : Phénomène d interférences III- Interférences : Document 1 : Vidéo «Dr Quantum_ Expérience des fentes de Young» Document 2 : Mise en évidence du phénomène d interférences * Lorsque deux ondes mécaniques de même longueur d onde se rencontrent, on constate qu elles se renforcent ou s annulent par endroit comme on peut l observer avec des vagues allant en sens opposés * Lorsqu on éclaire deux fentes proches et parallèles (appelées fentes d Young) avec de la lumière laser, on observe une figure de diffraction striée d une alternance de bandes sombres et de bandes lumineuses appelées «franges d interférence» La formule de l interfrange i est : i = avec D : distance entre les deux fentes et l'écran (en m), a : distance entre les deux fentes (en m), λ la longueur d onde de la lumière utilisée (en m) et i : interfrange (en m) Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 3

4 Document 3 : Interférences constructives et destructives Considérons deux ondes issues de deux sources cohérentes ( de même fréquence) A et B dans une cuve à onde qui interfèrent : Au point M, les deux ondes arrivent en phase, l'amplitude de l'onde résultante est maximale et on dit qu'il y interférences constructives. Onde A > Onde A + B Onde B au point P, les deux ondes arrivent en opposition de phase et l'amplitude de l'onde résultante est nulle : on dit qu'il y a interférences destructives. Onde A > Onde A + B Onde B Remarque : les interférences destructives sont mises à profit dans les casques anti-bruit : il génère un bruit équivalent au bruit ambiant mais en opposition de phase ce qui supprime le bruit ambiant. Document 4 : Différence de marche On appelle différence de marche en un point M la différence entre les deux distances S 1 M et S 2 M. Sa valeur peut être positive ou négative. = S 2 M S 1 M 1-Quelle condition doit-on avoir sur la nature des ondes pour observer le phénomène d interférences? 2- Le phénomène d interférences concerne-t-il les ondes mécaniques ou les OEM? Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 4

5 3- A partir du document 3 et 4, déterminer les conditions d interférences constructives. On discutera de la position des minima et maxima des deux ondes, notamment en terme de phase. On exprimera la différence de marche, correspondant au décalage des ondes, en fonction de la longueur d onde λ. 4- Même question pour les interférences destructives. 5- A quelle situation correspond une frange brillante? une frange sombre? Justifier. 6- Sur le document 2, représentez l interférence notée i et déterminez, avec précision, l interfrange sur la figure d interférences lumineuses du document 2 : i= 7- Calculer la longueur d onde du laser utilisée sachant que D= 1,70 m et a =0,28 mm. Exprimez par la suite cette longueur d onde en nm. Document 5 : La source lumineuse est une lumière blanche, c'est-à-dire composée d une infinité de radiation. L'iridescence est un phénomène optique qui provient de la structure de l'objet observé. Des différences de couleurs de l'objet seront perçues en fonction de l'angle de vue. Ce phénomène peut être observé sur les CD-ROM, bulles de savons mais aussi sur la carapace de certains insectes ou sur les ailes de papillons. Les carapaces de scarabées sont composées de plusieurs couches d'écailles transparentes. En traversant l'empilement complexe de ces microstructures, les rayons lumineux sont interférés. Vu leurs positions et leurs épaisseurs, les écailles provoquent des interférences qui ont des longueurs d'onde bien déterminées, c'est pour cela que les couleurs changent selon l'angle sous lequel nous percevons l'insecte. Vidéo : Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 5

6 IV- Effet DOPPLER : 1- Mise en évidence : Cf TP n 6 «souriez vous êtes flashé!» Un son de fréquence f e émis par une sirène d une ambulance est perçu plus lorsque l ambulance est en approche : la fréquence est donc plus Le même son est, maintenant, perçu plus lorsque le véhicule s éloigne : la fréquence est donc plus Ce phénomène illustre 2- Interprétation : L ambulance et le récepteur (pingouin) sont immobiles : L ambulance et le récepteur (pingouin) sont en mouvement l un par rapport à l autre : L ambulance est en approche : L ambulance s éloigne : 3- Comment l effet Doppler permet-il de déterminer la vitesse de la source v? L étude de ce phénomène conduit aux relation suivantes qu il faut savoir appliquer : Il est possible de relier la fréquence f e émise par la source, la fréquence f R reçue par le récepteur, la célérité de l'onde v onde et la vitesse de propagation v du récepteur par rapport à l'émetteur. Pour une onde sonore, on a : Autres écritures possibles : Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 6

7 Si la source s approche de l émetteur, la relation s écrit : Si la source s éloigne de l émetteur, la relation s écrit : Remarque : Cette relation est mise à profit dans les échographies afin de mesure la vitesse d'écoulement des fluides biologiques à partir de la mesure du décalage de fréquence d'une onde ultrasonore lorsque celle-ci se réfléchie sur les cellules du fluide en mouvement. De même, l'effet Doppler permet de mesurer la vitesse des véhicules grâce aux. 4- Effet Doppler dans une cuve à onde : Calculez les longueurs d onde λ A et λ B aux points A et B et en déduire les fréquences f A et f B sachant que la vitesse des ondes dans l eau est v onde = 12 cm/s et que la fréquence fe= 5Hz En déduire la vitesse de la source v 5- Mur du son : Lorsque l'émetteur atteint la vitesse du son, les ondes sonores s'accumulent devant lui, c'est le mur du son... Lorsque ce mur est franchit, on entend le fameux Vidéo 6- Autre application en astronomie: L effet Doppler Fizeau permet de calculer la vitesse radiale (composante sur le rayon) d une étoile. Voir activité 5 page 73. Pour cela il faut comparer les longueurs d onde de son spectre d absorption à celles d un spectre de référence (doc 16). Lorsqu une étoile ou une galaxie s éloigne de la Terre, ces longueurs d onde se déplacent vers le rouge (grandes longueurs d onde), c est le. Par contre quand l étoile ou la galaxie se rapproche de la Terre, le décalage est vers le bleu, on parle de. Cours n 4 «Propriétés des Ondes» Page 7