TP 4 : Interférences Thomas Young, en 1801, réalisa une

TP 4 : Interférences
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. Etude qualitative des phénomènes d'interférences :
Doc 2 : Fentes d'Young
Vous disposez vous aussi d’une diapositive avec une double fente. Eclairer la double avec le laser en
plaçant l’écran à une distance D > 1,50 m
1-Reproduire la figure observée sur l'écran. Quelle différence présente cette figure avec la figure de
diffraction observée dans le dernier TP ?
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».
2-Représenter l’interfrange i sur votre schéma. Comment peut-on mesurer le plus précisément possible
l’interfrange i ?
3- Les fentes d'Young se comportent comme deux sources de lumière qui se superposent sur l'écran.
Remplacer les fentes par deux lasers identiques dont les faisceaux superposent sur l'écran.
Observe-t-on toujours la figure d'interférence à l'écran ? En déduire une condition pour observer une
figure d'interférence.
II. Etude quantitative :
Vous utiliserez pour la suite l'animation : interférences.swf (dans TP interférences sur le bureau, utiliser
Mozilla Firefox)
Sur l'animation : activer l'option 2 fentes.
1-Choisir : λ=700nm, et largeur des fentes : 100μm sur l'animation.
A l'aide de l'animation, tracer un graphique pour montrer que i est inversement proportionnel à b. (à vous
de trouver la méthode ...)
(utiliser de préférence atelier scientifique Jeulin pour faire le graphique, si il ne s'ouvre pas, utiliser le
tableur de votre choix.)
Décrire votre démarche et représenter l'allure du graphique sur votre compte-rendu.
L’interfrange i est donné par l’une des expressions suivantes :
2
2
λ×D
λ ×D
λ ×D
λ
i=
i=
i=D+
i=
b
b
b
b2
3
i=
λ
b×D
i=
λ×b
D
2- En utilisant l'animation et en vous inspirant du TP diffraction, retrouver la bonne expression parmi
celle proposées ( λ étant la longueur d'onde du laser utilisé). Expliquer votre démarche.
3- En appliquant cette formule, déterminer l'écart entre les 2 fentes du dispositif de fentes d'Young utilisé
en début de séance. ( λ = 632,8 nm)
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
(attention aux 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)
Donnée : Incertitude relative sur la mesure de b :
√
Δb
Δ λ 2 Δi 2 ΔD 2
= (
) +( ) +(
)
λ
b
i
D
Votre résultat est-il en accord avec la donnée du 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 Bluray 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 :
√
( )
d
b=λ 1+4
x
2
avec λ la longueur d’onde de la lumière laser et x/2 l'interfrange. ( 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