dualité onde - particule

Thème: COMPRENDRE– Lois et modèles
Type de ressources: Textes scientifiques – vidéos – activités - simulation d’expériences.
Notions et contenus:
Energie, matière et rayonnement ; dualité ondes-particule ; temps et relativité restreinte
Compétence travaillée ou évaluée:
Identifier un problème
Rechercher, extraire et organiser l’information utile
Mobiliser ses connaissances
Exercer son esprit critique
Communiquer à l'oral et à l'écrit
Maîtriser les compétences langagières (français, LE)
Nature de l’activité:
Photon et onde lumineuse
Particule matérielle et onde de matière- relation de Broglie
Résumé (en 5 lignes au plus):
Du photon à l’onde lumineuse, il n’ya qu’un pas.
La lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire.
L’aspect onde- particule est généralisé.
Ils ont très souvent été en compétition pour l’interprétation de la lumière.
Les faits expérimentaux ont montré que la lumière avait finalement ces deux aspects.
Louis de Broglie, sur la base des résultats d’Einstein, a généralisé le principe de dualité à toute particule
matérielle.
Mots clefs : Période, fréquence, longueur d’onde, diffraction, interférence, dualité onde particule, Louis de
Broglie
Académie où a été produite la ressource : Académie de Strasbourg

Sciences Physiques - Chimiques
Terminale scientifique-Comprendre
Table des matières
1. Photon et onde lumineuse .................................................... Error! Bookmark not defined.
2. Particule matérielle et onde de matière - relation de Broglie .......................................... 2
3. Paricule matièrielle et onde de matière.
4. Relation de Broglie
DUALITE ONDE - PARTICULE
1. Photon et onde lumineuse
1.A. Caractérisations de l’onde.
1.A.a. Onde et Expériences d’interférence et de diffraction
1.A.a.1. Ondes
Une onde est une « vibration » qui se propage (voir le lien
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/onde_sonore_plane.swf) et qui peut être représentée par une
fonction sinusoïdale. Imaginez, par exemple, une personne qui agite horizontalement une corde avec
son bras. Cette dernière sera le siège d’une onde mécanique et prendra un profil sinusoïdal. L’état
vibratoire d’un point M de la corde (hauteur par rapport au sol) sera fonction du temps et de la position
de M. Si on photographie la corde (c'est-à-dire que l’on a « figé »le temps), on pourra mesurer sur la
photographie de la corde la plus petite distance qui sépare de points de cette dernière dans le même
état vibratoire. Cette distance est la longueur d’onde (période spatiale). Maintenant on regarde un
point de la corde et on cherche au bout de combien de temps on reverra ce point dans le même état
vibratoire. Ce temps est la période T (période temporelle). C’est l’inverse de la fréquence N.
La période spatiale ou la longueur d’onde et la période temporelle T sont reliées par la vitesse de
l’onde ou célérité V par la relation
TV 
.

Schématisez l’expérience décrite ci-dessus ; en déduire la relation entre la fréquence et la longueur
d’onde.
Sources : http://www.afblum.be/bioafb/chloropl/chloropl.htm et http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/
1.A.a.2. Phases expérimentales
Notion d’onde :
Deux « signatures » ou conséquences inhérentes des ondes sont les « interférences » et la
« diffraction ». Ceux-ci sont des phénomènes observables. Cela implique que si un « phénomène
inconnu » interfère ou diffracte, il sera alors possible de le représenter par une onde.
 Interférences
Animations :
http://subaru.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optiphy/interf3.html
http://www.discip.ac-caen.fr/phch/lycee/terminale/interferences_eau/interference.htm
En étudiant le lien :
http://www.discip.ac-caen.fr/phch/lycee/terminale/interferences_eau/interference.htm
- Comment varie la distance (mesurée suivant la verticale) entre deux franges i lorsque l’on modifie la
distance entre les deux sources a. Vérifiez que i est inversement proportionnel à a.
- Comment varie la distance (mesurée suivant la verticale) entre deux franges i lorsque l’on modifie la
longueur d’onde des ondes émises par les deux sources a. Vérifiez que i est inversement
proportionnel à .
-Comment varie la distance entre deux franges i (mesurée suivant la verticale) lorsqu’on s’éloigne
suivant l’horizontale de l’axe des deux sources. On appellera D la distance entre l’axe des sources et
la verticale de la meure de i.
- Monter que la relation
a
D
i
rend compte de vos constatations.
On appelle i interfrange.

 Diffraction
Animations :
http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/flash/diffractionslit.swf
http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/eau/diffraction.htm
En étudiant le lien :
http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/eau/diffraction.htm
- Comment sont les zones qui délimitent l’angle . (il y a extinction)
- Comment varie l’angle lorsque l’on modifie l’ouverture a.
- Comment varie l’angle lorsque l’on modifie la longueur d’onde .
1.B. La lumière
1.B.a. Faits expérimentaux de la lumière
En regardant une source lumineuse, que se passe-t-il quand vous fermez doucement vos paupières,
pouvez vous voir un rayon lumineux issu de cette source ?
- D’après les deux photographies et après avoir essayé d’isoler un rayon lumineux de la source, que
pouvez vous en conclure quant à la nature la lumière ?
- Confirmez votre choix en visitant les liens suivants :
Interférences http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/interference/interference.htm
Diffraction lumineuse http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffraction.html
- Vérifiez que les constatations faites pour les interférences et la diffraction des ondes mécaniques se
retrouvent pour la lumière.
- Visualisez et vérifiez que la symétrie du motif de diffraction se retrouve dans la figure de diffraction.
1.B.b. Conclusion
La lumière INTERFERE ET DIFFRACTE, c’est une onde de vitesse ou une onde de célérité dans le
vide (2,998 108 m/s).
(Pour l’onde, l’énergie est proportionnelle au carré de l’amplitude (de la sinusoïde)).

2. Dualité Particule matérielle et onde de la lumière
2.A. L’effet photoélectrique
2.A.a.. Expérience sur l’effet photoélectrique
Visiter les liens suivants :
http://www.youtube.com/watch?v=YQL2Q5ZArjs&feature=related : expérience
http://www.youtube.com/watch?v=CmxAXqDJDdM&feature=related symbolisation musicale de l’expérience
http://www.youtube.com/watch?v=0qKrOF-gJZ4&feature=related interprétation de l’expérience
2.A.b. Mise en évidence du seuil en fréquence
On constate expérimentalement
- que sous un certain seuil en fréquence il ne se produit pas de courant électrique quelle soit l’intensité
lumineuse.
- le caractère instantané du signal. (L’énergie est concentrée dans un grain de lumière tandis que
celle de l’onde doit « imprégner le métal », ce qui demande un délai temporel).
2.A.c. Autre forme de l’aspect énergétique du la lumière
Pour rendre compte de l’effet électrique, il faut écrire que l’énergie est proportionnelle à la fréquence N
de l’onde lumineuse via la relation :
NhE 
avec
sJh  34 1062,6
qui est appelée constante de
Planck. Cette énergie est concentrée dans des grains de lumière sans masse.
- Calculer ces énergies pour = 600 nm, 0.5 nm, 1 fm ; conclure.
2.A.b. Dualité.
L’effet photoélectrique est une preuve de la dualité onde particule de la lumière. Les particules de
lumière sont appelées photons. Le photon n’a pas de masse donc son énergie s’écrit avec la formule
relativiste :
cpE 
dans laquelle c est la vitesse de la lumière (2,998 108 m/s) et p la quantité de
mouvement.
- Trouver la relation entre E, c et .
- Montrer qu’il existe une relation simple liant p, h,
La relation
ph /
est révélatrice la dualité onde particule de la lumière. C’est la démarche onde
vers particule d’Einstein pour la lumière.