Chapitre 3 / TP 2 : Interférences lumineuses Thomas Young, en

Chapitre 3 / TP 2 : Interférences lumineuses
Thomas Young, en 1801, réalisa une expérience historique en faveur de la nature ondulatoire
de la lumière. Il superposa deux faisceaux lumineux issus d’une même source, en les faisant
passer à travers deux fentes fines parallèles et proches, et observa le résultat sur un écran.
Le phénomène d’interférences lumineuses est capable d’augmenter ou de diminuer l’intensité
lumineuse observée. Nous allons voir comment la superposition de deux ondes lumineuses
peut produire de l’obscurité…
I- Étude qualitative du phénomène d'interférence
Doc 1 :
Vous disposez d’une diapositive avec trois doubles
fentes fines parallèles et proches. Choisir la double
fente du milieu et l’éclairer avec le laser en plaçant
l’écran à une distance D > 1,50 m des fentes.
1) Décrire la figure d’interférences observée sur l’écran en indiquant l’effet
de la deuxième fente par rapport au phénomène de diffraction observé
pendant le TP précédent.
2) Les fentes d'Young se comportent comme deux sources de lumières
dont les faisceaux se superposent sur l'écran. Remplacer les fentes par
deux deux lasers identiques en superposant leurs faisceaux.
Observe t-on une figure d'interférence ?
Quelle condition doit être respectée pour observer une figure
d'interférences ?
Doc 2 : Fentes
d'Young
On appelle interfrange la distance qui sépare les milieux de deux franges brillantes
consécutives ou de deux franges sombres consécutives. L’interfrange est noté «i».
3) Représenter l’interfrange i sur le schéma ci-dessus. Comment peut mesurer précisément
l’interfrange i ?
II- Étude quantitative
A l'aide de l'animation « Interférence », mesurer l'interfrange i pour différentes distances b
séparant les fentes (on choisira une longueur d'onde de 780nm et des fentes de largeur
a=170µm). Répertorier les résultats dans le tableur d'Atelier scientifique.
Lorsque vous utilisez un logiciel informatique, il est préférable de rentrer les données avec
les unités du système international.
L’interfrange i est donné par l’une des expressions suivantes :
λ 2×D
λ 2×D
D3
λ
λ×D
λ×b
i=
i=
i=
i=D+
i=
i=
2
b
b×λ
b
b
D
b
1) Éliminer celle ou celles qui ne sont pas homogènes.
2) A l'aide de vos données, déterminer quelles formules pourraient être correctes. Expliquer
votre raisonnement et tracer sur votre compte rendu, l'allure des courbes obtenues avec le
logiciel.
3) A l'aide d'une étude qualitative rapide, retrouver la bonne expression parmi celle proposées (
λ étant la longueur d'onde du laser utilisé)
III- Applications
1) 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 b, est la distance entre deux traits consécutifs.
Ces traits se comporte comme des fentes. Éclairés avec un laser, ils donnent une figure
d'interférences.
a) Proposer un protocole afin de déterminer le pas de ce réseau.
Connaissant la longueur d'onde du laser, on en déduit le pas du réseau avec la formule :
λ×D
(
au unités)
b=
i
b) Le mettre en œuvre et déterminer un encadrement de la valeur expérimentale du pas b. (on
considère que l'erreur sur la valeur de la longueur d'onde est nulle)
√
Δb
Δ λ 2 Δi 2 ΔD 2
=
(
) +( ) +(
)
Donnée : Incertitude relative sur la mesure de b :
λ
b
i
D
Votre résultat est-il en accord avec la donnée fabricant ?
2) Interférences et stockage d'information
Course au stockage de l’information :
Lancé en 1996, le DVD était connu comme le moyen de stockage de grande capacité pour les
données informatiques et audio-vidéo de haute qualité. Il a supplanté le CD. Dix ans plus tard,
le Blu-ray arrivait sur le marché. Il permettait de stocker toujours plus d’informations sur la
même surface grâce à un rayon plus fin induisant des sillons de gravure plus petits et plus
rapprochés et des alvéoles plus courtes. Le Blu-ray pourrait bien être le dernier format optique
de l’histoire. L’industrie aurait déjà trouvé un remplaçant : les supports dématérialisés.
Aujourd’hui, il est possible de louer ou d’acheter un film au téléchargement sur Internet, le tout
en haute définition.
Notre but est de montrer expérimentalement qu’un DVD stocke plus d’informations qu’un CD
sur la même surface.
Document 1 : Lecture des données d’un support optique gravé
Sur un CD, les données sont inscrites sur une piste en spirale qui fait
près de 5 km de long, du centre vers l’extérieur et compte 22188 tours.
Les spirales confèrent au CD les propriétés optiques d’un réseau.
L’espacement « b » entre les spirales correspond à l’espacement entre
les « fentes » du réseau. La dispersion de la lumière par les spirales a
lieu après une réflexion sur une couche métallique déposée sur le CD.
La piste est une succession de creux et de bosses gravées. Le laser lit
la totalité de la piste où sont gravés les microreliefs du centre vers
l’extérieur du disque. Chaque passage du laser d’une bosse à un creux
et inversement équivaut à 1 suivi d’un nombre de 0 proportionnel à la
longueur de la bosse ou du creux. Ces valeurs sont ensuite traduites en
données numériques.
Document 2 : Figure d’interférences et support optique
Document 3 : Calcul du pas d'un CD/DVD
La distance entre deux sources secondaires (le pas) est b telle que :
√
b=λ 1+4
2
()
d
x
avec λ la longueur d’onde de la lumière laser. ( λ = 632,8 nm)
À partir des documents 1, 2, 3 et de la liste de matériel, on souhaite réaliser une expérience
permettant de montrer qu’un DVD stocke plus d’informations qu’un CD sur la même surface.
a) Identifier la grandeur à mesurer pour répondre à la problématique posée ?
b) La valeur de cette grandeur n'étant pas accessible par la mesure directe, préciser les
grandeurs à mesurer qui conduiront à sa valeur numérique.
c) À partir de la liste de matériel, proposer un protocole expérimental permettant d'accéder à la
grandeur caractéristique de la capacité de stockage d'un support optique (CD ou DVD).
Remarque : le protocole expérimental doit expliciter la façon dont on va utiliser le
matériel, l’ordre dans lequel les différents objets seront disposés et les mesures
que vous prévoyez de faire. Un schéma annoté devra également être proposé pour
illustrer le tout.
d) Conclure