Thème : Observer Cours n 4 «Propriétés des Ondes» I- Que se passe-t-il lorsqu une onde mécanique ou de la lumière rencontre un obstacle ou un trou?

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1 Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE - Chapitre IV Classe de Ter S Thème : Observer Cours n 4 «Propriétés des Ondes» 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? 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., 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. 1

2 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). c- Exploitation des 2 relations précédentes et : En TP nous construirons 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 A( ; ) et B( ; ) 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 d- Mais si θ dépend de, qu obtient-on en diffractant de la lumière blanche? Si on effectue l expérience de diffraction de la lumière blanche avec une fente, 2

3 III- Interférences : Vidéo 1- Superposition de 2 ondes : Lorsqu'un point M se situe sur le passage de deux ondes qui se croisent, la perturbation résultante en ce point M est la "somme" des deux perturbations. Après le croisement, les deux ondes poursuivent leur propagation sans être modifiées. On dit qu'il y a et alors l'élongation résultante est la somme des élongations des deux ondes en ce point si : - les deux ondes qui se superposent sont - les deux sources : cela signifie que s'il existe un retard d'une onde par rapport à l'autre, ce retard doit rester constant ; on dit que le déphasage est constant. Exemple de courbes déphasées : 2- Interférences constructives et destructives : Considérons deux ondes issues de deux sources cohérentes 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. 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. 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 brui ambiant mais en opposition de phase ce qui supprime le bruit ambiant. 3

4 3- Interférences en lumière monochromatique : a- Obtention de sources cohérentes : En lumière monochromatique, nous devons chercher à obtenir deux sources cohérentes : pour cela, il faut les créer à partir d'une source unique. C'est le cas des : une fente de petite dimension diffracte la lumière d'une source monochromatique et éclaire deux fentes très proches l'une de l'autre. Celles-ci se comportent comme deux sources cohérentes en phase si la fente source est sur l'axe de symétrie des deux fentes. Les faisceaux diffractés par les deux fentes interfèrent dans leur partie commune : on voit alors apparaitre des franges d'interférence dans la figure de diffraction des fentes. b- Différence de marche et conditions d'obtention d'interférences constructives et destructives : - les interférences sont - les interférences sont On appelle interfrange " i " la distance qui sépare les milieux de deux franges consécutives de même nature et on a : - D : distance entre les deux fentes et l'écran (en m) - a : distance entre les deux fentes (en m) - i : interfrange (en m) - : longueur d'onde dans le milieu (en m) 4

5 IV- Effet DOPPLER : 1- Mise en évidence : a- Pourquoi le son de la sirène d'une ambulance semble être modifié quand elle nous passe devant à toute vitesse? Son 1 : Son 2 : b- Dans une cuve à onde : La source se déplace Observation : 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 de la source est de v S = 5 cm/s: 2- Définition : Une onde électromagnétique (OEM) ou une onde mécanique émise à une fréquence f E est perçue avec une fréquence f R lorsque l émetteur et le récepteur sont en relatif on a f = 3-Comment l effet Doppler permet-il de déterminer la vitesse de la source v S? a- Une histoire de fréquence! Lorsque l émetteur est immobile, les observateurs immobiles A et B perçoivent des ondes de même longuer d onde : λ = et f = f A -f E f B -f E 0 Lorsque l émetteur se déplace à la vitesse v E en s approchant de l observateur A et en s éloignant de l observateur B, ceux-ci perçoivent des on de loguers d onde λ A λ et λ B λ si E et A se rapprochent: f = f A -f E 0 et si E et B s éloignent: f = f B -f E 0 5

6 b- Mesure de vitesse : L étude de ce phénomène conduit aux relation suivantes qu il faut savoir appliquer : Il est possible de relier la fréquence f S 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 : Dans le cas précédent, pour l observateur A : Dans le cas précédent, pour l observateur B : 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. c- 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 1- 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. 6