CHAPITRE 03 ACTIVITE EXPERIMENTALE : Les interférences lumineuses I. L’expérience de Young Le médecin et physicien anglais Thomas Young (1733 – 1829) s’intéressa particulièrement au problème de la nature de la lumière dont il disait qu’il pouvait nous aider à comprendre la nature de nos sensations et la constitution de l’univers en général. En 1803, après avoir observé des franges dans l’ombre du bord d’une carte à jouer éclairée par le soleil, il propose une expérience qui montra de façon convaincante la nature ondulatoire de la lumière et donc la pertinence des idées du physicien et astronome néerlandais Christian Huygens (1629 – 1695). En faisant passer un faisceau lumineux à travers deux fentes taillées dans un cache placé à proximité d’un écran, il observe sur cet écran une succession de raies sombres et brillantes ; cela est le signal d’interférence de deux ondes dont les intensités se retranchent ou s’ajoutent selon la valeur de la différence de marche. En analogie avec les phénomènes sonores, il conclut alors de ses mesures que « la largeur des ondulations qui constitue la lumière rouge doit être dans l’air de l’ordre d’un trente-six millième de pouce ». 1) Description du montage On utilise un laser produisant une lumière de longueur d’onde λ, placé devant un dispositif appelé fentes d’Young constitué de deux fentes très fines, parallèles et distantes d’une distance « a ». On observe sur un écran placé à une distance D des fentes d’Young, une figure horizontale constituée de taches lumineuses. La distance entre deux franges consécutives brillantes est appelée interfrange noté « i». L’interfrange i sur l’écran varie lorsque l’on fait varier la distance D entre les fentes et l’écran, la longueur d’onde λ ou la distance « a » entre les deux fentes. 2) Relation entre les différentes grandeurs On propose plusieurs formules : i= .a D i= 2 .D a 2 i = a.D. i= .D a Quelle(s) formule(s) peut-on éliminer simplement en faisant une analyse dimensionnelle ? (Voir chapitre 0 et livre P588) II. À la recherche de la bonne formule Vous disposez de l’animation « Interférences Laser » sur LMS. Travail à effectuer : Proposer un protocole expérimental permettant de valider (ou d’invalider) les 3 expressions restantes. On réfléchira aux grandeurs à faire varier et à mesurer, aux graphiques à tracer … Une fois le protocole imaginé, le faire contrôler par le professeur. Sur votre compte-rendu, décrire précisément : - Rédiger précisément le protocole expérimental (en le justifiant), - Présenter les résultats expérimentaux (sous forme d’un tableau …), - Donner l’allure des graphes, - Indiquer les résultats de la modélisation - Vos conclusions. Conclusion : Quelle est alors la formule correcte reliant la longueur d’onde λ, la distance « a » entre les deux fentes, la distance D et l’interfrange i ? III. Qui est cette belle inconnue ? À partir de l’une des courbes tracées précédemment, proposer un protocole permettant de retrouver expérimentalement la longueur d’onde λ de la diode laser utilisée. Proposer un protocole, puis le réaliser afin d’obtenir la mesure désirée. Calculer l’incertitude relative r = mesurée - référence et commenter votre résultat. référence
