TP de Physique 1 - Enseignement des Sciences Physiques

Terminale S
TP 6_Diffraction de la lumière
Diffraction de la lumière
Objectifs :
- Observer des phénomènes de diffraction.
- Rechercher les facteurs ayant une influence sur la figure de diffraction :
* en déduire la largeur d’une fente fine à l’aide d’un laser de longueur d’onde connue,
* en déduire la longueur d’onde d’un laser à l’aide d’une fente fine de largeur connue.
Quelle formule permet de donner l’expression de la largeur de la tache centrale de diffraction
en fonction des paramètres du dispositif mis en place ?
Observation d’un phénomène lié au laser.
I.
Document 1 :
Le phénomène de diffraction
Quand une onde rencontre un obstacle possédant une ouverture « a », celle-ci réémet l’onde dans toutes les directions
possibles. Il s’agit du phénomène de diffraction. Toutes les grandeurs (fréquence, longueur d’onde, célérité) sont conservées.
Seule la direction de propagation change avec un étalement.
Ce phénomène, caractéristique des ondes, n’est perceptible que si la taille de l’ouverture est proche ou inférieure à celle de la
longueur d’onde λ : houle à l’entrée d’un port, ondes sonores à travers une porte …
Document 2 :
Diffraction des ondes lumineuses par une fente fine
On utilise un LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation)
émettant une lumière de longueur d’onde λ. On dispose une fente fine verticale de
largeur a dans le trajet lumineux et l’on observe sur un écran, situé à une distance D
de la fente, la figure de diffraction obtenue avec le passage de l’onde lumineuse
monochromatique à travers la fente fine.
La largeur L de la tache centrale varie lorsque l’on fait varier :
- la distance D entre la fente et l’écran,
- la longueur de l’onde lumineuse λ,
- la largeur a de la fente.
1. Par analogie phénoménologique, préciser la nature de la lumière.
2. A quelle condition doit satisfaire l’ouverture a de la fente pour observer ce phénomène ?
3. a. Préciser sur le schéma ci-contre, les
Vue de dessus
différentes grandeurs rencontrées dans les
documents.
b. Indiquer comment mesurer la largeur de
la tache centrale L avec précision sachant
que la tache centrale est deux fois plus étalée
que les autres taches.
Laser He-Ne
fente
4. A partir du dispositif mis en place, un élève propose plusieurs formules afin de répondre à l’interrogation
initiale avec k une constante sans dimension.
écran
Parmi les différentes formules, lesquelles peut-on éliminer par une simple analyse dimensionnelle ?
II.
Etude quantitative des paramètres influant sur la largeur de la tache centrale.
1. Influence de la largeur de la fente a.
 Installer correctement laser, fente et écran afin de réaliser des mesures précises.
 Le banc servant de règle, fixer la distance D entre la fente et l’écran à 1,50 m.
 Faire varier la largeur a de la fente et mesurer la distance L correspondant à la largeur de la tache centrale pour
compléter le tableau ci-dessous.
Largeur de la fente :
a (μm)
Largeur de la tache centrale :
L (mm)
M.Meyniel
400
280
120
100
50
40
inconnue
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Terminale S
TP 6_Diffraction de la lumière
 Ouvrir le logiciel Regressi pour tracer la courbe :
L = f (a).
 Ouvrir un nouveau fichier : dans la barre d’outils choisir Fichier → Nouveau → Clavier.
 Dans le tableau Variables expérimentales, taper les grandeurs et leurs unités → OK puis entrer les couples de valeur.
 Dans le menu Fenêtre, cliquer sur Mosaïque verticale pour faire apparaître le graphe.
1. Représenter l’allure du graphe sur votre copie.
2. Quelle relation semble exister entre L et a pour et D fixées ?
 Pour le vérifier, cliquer sur Modéliser
puis taper l’expression du modèle → Ajuster.
3. La modélisation est correcte si l’écart relatif est faible (< 5 %). Conclure.
4.
a. Quelles grandeurs choisir sur chaque axe pour obtenir une courbe plus simple traduisant la relation
précédente ? Le faire sur l’ordinateur.
b. Représenter alors l’allure de la courbe en indiquant la relation entre les grandeurs axiales et en précisant le
coefficient directeur.
2. Influence de la distance D entre la fente et l’écran.
 Toujours avec le laser, faire varier D en gardant cette fois-ci une même fente de largeur :
 Mesurer pour chaque valeur de D la longueur L de la tache centrale et compléter le tableau :
Distance :
D (m)
Largeur de la tache centrale :
L (mm)
a = ………….
 Tracer la courbe L = f (D).
Etablir, comme précédemment, la relation existe entre L et D pour et a fixées ?
3. Influence de la longueur d’onde λ.
 Utiliser le logiciel de simulation, à l’adresse :
http://perso.orange.fr/gilbert.gastebois/index.htm
→ animations scientifiques et éléments de cours → diffraction → diffraction par une fente
 Mettre la luminosité au maximum.
 Fixer : D = 2,00 m & a = 50 μm. Puis mesurer L pour différentes longueurs d’onde des radiations incidentes.
 Compléter le tableau :
Longueur d’onde :
λ (nm)
Largeur de la tache centrale :
L (mm)
450
550
650
725
 Tracer la courbe L = f (λ).
Quelle relation existe entre L et λ pour D et a fixées ?
4. Relation entre les paramètres.
1. Déduire de tout le travail précédent, la bonne expression de L en fonction de a, , D et k.
2.
a. En utilisant la courbe établie en II. 1), calculer la valeur du coefficient de proportionnalité k.
b. En déduire l’expression définitive de L en fonction de a,  et D et la belle inconnue du II.1.
5. Ecart angulaire.
Document 3 :
L’écart angulaire
On appelle écart angulaire θ, l’angle, exprimé en radian, entre la droite passant par le milieu de la tache centrale et
celle passant par le milieu de la première zone d’extinction.
Remarque :
Pour les petits angles, on peut assimiler la valeur de l’angle exprimée en radian, avec la valeur de sa tangente.
(On peut le vérifier avec sa calculatrice pour un angle de 3° par exemple).
Après avoir représenté θ sur la vue de dessus initiale, trouver la relation entre l’écart angulaire θ du faisceau diffracté
(ou angle de diffraction) et les paramètres ci-dessus.
M.Meyniel
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Terminale S
Document 4
TP 6_Diffraction de la lumière
Images d'étoiles par un télescope
Lorsque la lumière est diffractée par une pupille circulaire de diamètre a, la figure de
diffraction comporte une tache centrale très lumineuse appelée tache d'Airy et une
série de cercles concentriques lumineux formant un halo beaucoup plus diffus.
Quand un télescope prend un cliché du ciel, l'image sur son capteur des étoiles
visibles les plus lointaines sont des tâches d'Airy (et non des points).
Ces taches d'Airy sont dues à la diffraction de la lumière des étoiles par la pupille
d'entrée du télescope, qui est en général circulaire et dont la taille correspond à celle
du miroir primaire (voir document 5).
La demi-largeur angulaire  d'une tache d'Airy obtenue grâce à une pupille circulaire
de diamètre a est 1,22 fois plus grande que la demi-largeur angulaire d'une tache
centrale obtenue avec une fente de même largeur a.
Document 5
L

D
a
Ouverture circulaire
Laser
Schéma d'un télescope de type Cassegrain
miroir
secondaire
faisceau de
lumière entrant
dans le télescope
Pupille d'entrée
du téléscope
(diamètre a)
miroir
primaire
Capteur
La distance jouant le rôle de D dans le télescope est le double de la distance entre le miroir primaire et le miroir secondaire.
Cette distance est appelée "focale du télescope" et est notée f' comme pour les lentilles (cours de 1èreS).
Document 6
Capteur CMOS
Les appareils photographiques récents possèdent des capteurs de type CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor) dont l'aspect est présenté ci-contre.
Un pixel sur le capteur correspond au carré représenté, au centre duquel se situe
une photodiode sensible à la lumière.
De bons capteurs grand public actuels possèdent
usuellement des taille de pixel de l'ordre de 4 m de
côté.
Image d'un capteur CMOS au
Microscope Électronique à Balayage
(MEB) (taille du pixel: environ 19 m)
"Robert, Raoul et André, élèves en Terminale S sont passionnés de photographie du ciel. Ils souhaitent
que l'image d'une étoile très lointaine n'excède pas la taille d'un pixel sur le capteur du télescope.
Toutefois, ils se demandent si cela est possible expérimentalement. "
Afin de les aider à solutionner leur problème, rappeler la relation liant la largeur L aux paramètres ,
D et a sur la largeur L de la tache centrale de diffraction, dans le cas d’une fente fine.
Puis grâce aux documents, vous tenterez d'apporter une réponse à la question posée.
M.Meyniel
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Terminale S
TP 6_Diffraction de la lumière
Compte-rendu sur la diffraction de la lumière :
I. Observation d’un phénomène lié au laser :
1. La lumière est une onde car elle subit le phénomène de diffraction.
2. Ce phénomène s’observe si l’obstacle ou la fente a une taille a inférieure ou égale (en ordre de grandeur) à la
longueur de l’onde λ :
a ≤ λ (en ordre de grandeur)
Rq : Pour les OEM, on a même a ≤ 100.λ
3. a. Attention : L se mesure du milieu d’une zone d’extinction au milieu de la zone d’extinction symétrique par
rapport à l’axe du laser.
Vue de dessus
b. Pour être plus précis, on peut
considérer plusieurs taches au lieu
de ne mesurer que la tache centrale.
Ainsi, jusqu’au milieu de la seconde
zone d’extinction de part et d’autre
de l’axe centrale, on mesure : 2.L.
λ
L 2.L
a
D
Il suffira de diviser ensuite comme on a pu le faire avec les périodes
sur l’oscilloscope ! l’imprécision est alors divisée par 2 !!
4. dim [L] = L La largeur de la tache centrale est homogène à une longueur. La formule doit donc, elle aussi,
être homogène à une longueur.
dim [k.λ.D/a] = dim [k] × dim [λ] × dim[D] / dim [a] = 1×L×L / L = L
formule possible
dim [k.λ.D/a²] = dim [k] × dim [λ] × dim[D] / (dim [a])² = 1×L×L / L² = 1
formule impossible
dim [k.a.D/λ] = dim [k] × dim [a] × dim[D] / dim [λ] = 1×L×L / L = L
formule possible
dim [k.λ².D/a] = dim [k] × (dim [λ])² × dim[D] / dim [a] = 1×L²×L / L = L²
formule impossible
3
dim [k.a.D.λ] = dim [k] × dim [a] × dim[D] × dim [a] = 1×L×L×L = L
formule impossible
L (mm)
II. Etude quantitative des paramètres influant sur la largeur de la tache centrale :
1. Influence de la largeur de la fente a.
1. D’après les valeurs expérimentales, on trace la fonction :
L = f (a)
à l’aide du logiciel Regressi. L’allure de la courbe est représentée ci-contre :
a (µm)
2. D’après l’allure de la courbe (hyperbolique), on peut supposer une fonction inverse :
L = k1.(1/a)
avec k1 dépendant de [λ ; D]
3. On modélise la courbe par cette fonction inverse et l’ordinateur annonce un écart relatif entre l’expérience et le
modèle inférieur à 5 %. On obtient bien une fonction inverse, la relation est vérifiée : L = k1.(1/a)
En d’autres termes, les grandeurs L et a sont inversement proportionnelles !
4. a. Il est plus aisé de travailler avec des fonctions linéaires.
Pour cela, on trace :
L = f (1/a)
Le logiciel permet de calculer l’inverse de « a » en ajoutant une grandeur
calculée. Puis, on trace la fonction L = f (1/a). On obtient le graphe ci-contre :
b. La modélisation par une fonction linéaire donne un écart relatif inférieur
à 5 %, ce qui confirme la relation de proportionnalité entre L et (1/a) soit :
L = k1.(1/a)
avec fonction linéaire avec k1 = 2.103 m²
M.Meyniel
L (mm)
1/a (µm-1)
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TP 6_Diffraction de la lumière
2. Influence de la distance D entre la fente et l’écran.
Comme précédemment, on trace la fonction : L = f (D)
Les points semblent alignés avec l’origine. On peut donc supposer qu’il s’agit d’une fonction linéaire.
La modélisation précise un écart relatif entre notre expérience et le modèle inférieur à 5 % donc il s’agit bien d’une
fonction linéaire, les grandeurs axiales sont proportionnelles soit :
L = k2.D
(avec k2 = 11,4.10-3 et dépendant de a et λ)
3. Influence de la longueur d’onde λ.
Une nouvelle fois, on trace la fonction :
L = f (λ)
Les points semblent alignés avec l’origine. On peut donc supposer qu’il s’agit d’une fonction linéaire.
La modélisation précise un écart relatif entre notre expérience et le modèle inférieur à 5 % donc il s’agit bien d’une
fonction linéaire, les grandeurs axiales sont proportionnelles soit :
L = k3.λ
(avec k3 = 80.103 et dépendant de a et λ)
4. Relation entre les paramètres.
1. L = k1.(1/a) = k2.D = k3.λ
En d’autres termes, L est proportionnelle à D et λ et inversement proportionnelle à a
=> L =
2. a. D’après la modélisation du II.1, on a k1 = 2.103 m²
Or, k1 = k.λ.D
b. D’où :
=>
k=
≈2
=
L=
5. Ecart angulaire.
Vue de dessus
θ sur schéma
θ
λ
L 2.L
a
D
tan (θ) =
=
=
(avec la formule précédente)
Or l’angle est petit donc tan θ ≈ θ
M.Meyniel
=>
D’où :
θ=
On retrouve la définition de cours sur l’écart angulaire !!
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