Tp10

Chapitre 3 – Propriétés des ondes
TP 10 Le phénomène d’interférence lumineuse
Objectifs : Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier quantitativement le phénomène d’interférence
dans le cas des ondes lumineuses.
ATTENTION : Pour les expériences suivantes, nous allons utiliser un faisceau laser. La puissance de ce
faisceau est faible mais le faisceau est très fin, ce qui le rend dangereux en particulier pour les yeux.
En 1801, le scientifique britannique Thomas Young réalise une expérience historique en faveur de la nature
ondulatoire de la lumière : interférences lumineuses
Les interférences sont un phénomène qui se produit lorsque deux ondes de même nature se rencontrent. On
peut ainsi observer les phénomènes d’interférence en optique, en télécommunications (ondes
électromagnétiques) mais aussi en acoustique (ondes mécaniques). Ce phénomène n’est néanmoins observable
que dans des cas particuliers.
La propriété qu’ont les ondes d’interférer dans certaines conditions a permis de mettre au point des techniques
de mesure de pointe : cela s’appelle l’interférométrie.
1. Phénomène d’interférence lumineuse
1.1. Mise en évidence du phénomène (expérience prof)
Sur la paillasse prof, sont alignés un laser rouge OVIO de longueur d’onde 650 nm, un dispositif de double fente F1 et
F2 appelé fentes d’Young et un écran blanc.
Les interférences lumineuses sont créées
en divisant l’onde émise par une seule
source, de sorte qu’elle prenne deux
trajets différents.
Chaque fente diffracte la lumière. Un point
de l’écran reçoit donc deux ondes, ayant
traversé deux fentes différentes.
laser
 Dessiner la figure observée sur l’écran et noter les observations.
Frange claire
Frange sombre
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Chapitre 3 – Propriétés des ondes
TP 10 Le phénomène d’interférence lumineuse
1.2. Influence de la distance écran-fentes d’Young (expérience prof)
Faire varier D.
 Comment varie l’interfrange i lorsque D diminue ?
1.3. Influence de la longueur d’onde (expérience prof)
Remplacer le laser rouge par le laser vert OVIO de longueur d’onde 532 nm.
 L’interfrange i dépend-elle de la lumière ?
 Si oui, comment varie l’interfrange i lorsque  diminue ?
1.4. Influence de l’écartement a des fentes (expérience élève)
Sur un banc d’optique, disposer :
 un laser rouge de longueur d’onde de 650 nm
 une diapositive de fentes doubles sur la graduation zéro
 un écran blanc sur la graduation 1800 mm
Pour chaque double fente, mesurer l’interfrange i.
i calculé (mm)
Ecartement a (m) Interfrange i mesuré (mm)
200
6
300
4
500
3
 Expliquer comment on peut déterminer avec le plus de précision possible la valeur de l'interfrange i.
 L’interfrange i dépend-elle de l’écartement des fentes ?
 Si oui, comment varie l’interfrange i lorsque l’écartement augmente ?
L’interfrange est donné par la relation suivante : i =
 Quel est l’intérêt d’utiliser une distance D grande ?
 Compléter la troisième colonne du tableau précédent en faisant attention aux unités.
 Les mesures effectuées sont-elles en accord avec l’expression donnée ?
2. Application à la détermination du pas d’un réseau
Un réseau est constitué d’un support transparent sur lequel ont été gravés des
traits parallèles et équidistants. Le « pas » du réseau, noté a, est la distance entre
deux traits consécutifs.
Ces traits parallèles se comportent comme un ensemble de fentes très fines.
Chaque fente est séparée de la suivante d’une distance a. Lorsqu'on éclaire le
réseau sous incidence normale, on peut observer des taches lumineuses sur un
écran positionné en aval, parallèlement au réseau issues des interférences des ondes issues de chaque fente
éclairée.
 Remplacer la diapositive des fentes d’Young par le réseau.
 Observer la figure d'interférence sur un écran positionné à une distance D de 25 cm du réseau.
La lumière laser de longueur d'onde λ issue des différentes fentes du réseau interfère dans des directions k repérées
par rapport à la normale au réseau et telles que :
où k correspond à l’ordre de d'interférence et a la distance entre deux fentes.
Ainsi, sur un écran positionné parallèlement au réseau on observe différentes tache lumineuses.
exemples :
L
k = 0 pour la tâche centrale dans la direction du faisceau,
k = 1 pour la première tâche à partir de la tâche centrale,
k = 2 pour la deuxième …
Rappel : tan(1) = (vu dans le TP 9) où L est la distance entre les
deux premières taches brillantes (d’ordre1)
Remarque : l’écran étant placé près du réseau, l’approximation des petits angles ne peut être faite comme pour la
diffraction à travers une fente ou les interférences à travers les fentes d’Young.
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TP 10 Le phénomène d’interférence lumineuse
 Mesurer L.
 En déduire 1 puis a en mm.
 Le nombre de traits/mm N est égal à . Calculer N. Comparer avec la valeur indiquée sur le réseau.
 Recommencer les mesures et les calculs avec un autre réseau donnés par le professeur.
3. Application du phénomène d’interférence à la détermination du pas du sillon d’un CD
Le CD (disque compact) fut inventé par les firmes Philips et Sony en 1979. Afin de pouvoir enregistrer les 2 faces
de n'importe quels 33 tours sur un seul CD, les ingénieurs de Philips décidèrent que sa durée serait de 60'. C'est
ainsi que les premiers prototypes mesuraient 11,5 cm de diamètre.
Mais l'épouse du P-d.g de Sony était une grande adepte de la 9ème symphonie de Beethoven. Elle désirait
pouvoirécouter la totalité de cette symphonie sur un seul et même disque. Les recherches ont trouvé une
interprétation de la 9ème Symphonie, dirigée par Wilhelm Furtwängler, dont la durée était de 74 minutes et 33
secondes. C’est ainsi que dans les spécifications du Redbook paru en 1980, qui dresse les caractéristiques
techniques standards de ce que devront être les Compact Discs, la durée maximale d’un CD a été portée à 74
minutes et 33 secondes pour un diamètre de 12 cm.
Le CD a été officiellement lancé en octobre 1982.
Le CD permet de stocker des informations numériques, c'est-à-dire correspondant à 650 Mo de données
informatiques.
Les données sont inscrites sur un sillon en spirale, de largeur qui fait près de 5 km de
long, du centre vers l’extérieur et compte 22188 tours.
La piste est lue sur la face inférieure par un faisceau laser qui sera réfléchi par une fine
couche d'or ou autre métal.
Illustration 1: sillon d'un
CD : une piste en spirale
Illustration 2: coupe d'un CD selon son rayon
Les sillons (creux vues du dessous) sont les analogues des fentes percées dans la première partie de la couche
métallique. Tout se passe comme s'il s'agissait d'un réseau collé à un miroir. Le phénomène d'interférences sera
alors observable par réflexion.
Point d’impact du
rayon laser.



Remplacer l’écran par un CD. Le positionner sur la graduation 200.
Remplacer le réseau par un carton percé. Le positionner sur la
graduation zéro.
Poser le laser sur un support à croisillons au bout du banc
d’optique.
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TP 10 Le phénomène d’interférence lumineuse


Faire passer le rayon laser par le trou du carton suffisamment grand pour ne pas provoquer de
diffraction et positionner le CD de telle sorte que le rayon arrive comme indiqué sur la photo.
La figure d’interférence se réfléchie sur le carton percé.
Par analogie avec le réseau, on a :
L

tan 
et sin   k
2D
a
L représente la distance entre les 2 premières tâches brillantes (ordre k = 1)
D : distance écran – réseau ou support CD/DVD
a : le pas d’un sillon
 Mesurer L.
 En déduire 1 puis a en mm.
 Comparer avec la valeur indiquée dans le document ci-dessous.
LE CODAGE ET LA LECTURE DES INFORMATIONS
La piste physique est en fait constituée d'alvéoles d'une profondeur de 0,168
µm, d'une largeur de 0,67 µm et de longueur variable. Les pistes physiques sont
écartées entre elles d'une distance d'environ 1,6 µm. On nomme creux (en anglais
pit) le fond de l'alvéole et on nomme plat (en anglais land) les espaces entre les
alvéoles.
La profondeur de l'alvéole correspond donc à un quart de la longueur d'onde du
faisceau laser, si bien que l'onde se réfléchissant dans le creux parcourt une moitié de
longueur d'onde de plus (un quart à l'aller plus un quart au retour) que celle se
réfléchissant sur le plat.
De cette façon, lorsque le laser passe au niveau d'une alvéole, l'onde et sa réflexion
sont déphasées d'une demi-longueur d'onde et s'annulent (interférences
destructrices), tout se passe alors comme si aucune lumière n'était réfléchie. Le passage d'un creux à un plat
provoque une chute de signal, représentant un bit.
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