Les expériences d`optique

Les exp´eriences d’optique
V
R
spectre
lumière de
l’héliostat
lentille
cylindrique
image linéaire
du Soleil prisme
miroirs
fentes
virtuelles écran
f
o
m′′
m′
L′L′′
f′′
f′
Fig. 1. L’appareil d’interf´erences de Foucault et Fizeau. Les
deux miroirs de Fresnel m0et m00 font de l’objet lin´eaire
fdeux images virtuelles f0et f00 , qui forment des franges
d’interf´erences sur l’´ecran. Une fente mobile oreprend la
lumi`ere `a une distance r´eglable de la frange centrale, et le
spectre en est form´e par un prisme.
De 1845 `a 1847, Foucault et Fizeau r´ealis`erent
plusieurs exp´eriences d’optique physique, portant sur les
interf´erences et sur la polarisation de la lumi`ere. C’´etait
d’actualit´e, puisque Augustin Fresnel (1788-1827) avait
d´evelopp´e la th´eorie de la nature ondulatoire de la lumi`ere
et que Fran¸cois Arago (1786-1853) ´etudiait la polarisa-
tion d´ecouverte en 1808 par Etienne Louis Malus (1775-
1812). Ces exp´eriences utilisent des variantes de l’appareil
repr´esent´e figure 1, dont il ne subsiste que la par-
tie de gauche (pr´esent´ee `a l’exposition), un dispositif
d’interf´erences `a miroirs de Fresnel. Foucault et Fizeau pro-
jetaient sur un ´ecran les franges d’interf´erences form´ees par
ce dispositif ´eclair´e en lumi`ere blanche (celle du Soleil). Ils
pla¸caient une fente `a une certaine distance de la frange cen-
trale, dans la zone o`u les franges sont brouill´ees, et analy-
saient avec un prisme la lumi`ere transmise par cette fente.
Ils obtenaient ainsi une spectre de la lumi`ere solaire, avec
ses raies et bandes intrins`eques, auquel se superposaient
des cannelures alternativement claires et sombres (Fig. 2).
Les cannelures claires se trouvaient aux longueurs d’onde
o`u la lumi`ere arrivait en phase des deux miroirs de Fres-
nel, et les cannelures sombres aux longueurs d’onde o`u
il y avait opposition de phase. Le but ´etait de savoir si
l’on pouvait observer des cannelures, donc des ph´enom`enes
d’interf´erence, avec de grandes diff´erences de marche entre
deux faisceaux en interf´erence. Foucault et Fizeau parvin-
rent ainsi `a observer des interf´erences jusqu’`a une diff´erence
de marche de 1,4 millim`etres, puis de 3,2 millim`etres avec
une variante exp´erimentale utilisant le ph´enom`ene de po-
larisation chromatique d´ecouvert par Arago. Il est facile
aujourd’hui d’observer des interf´erences `a grande diff´erence
de marche en lumi`ere monochromatique, mais il faut savoir
qu’`a l’´epoque on ne disposait pas de sources monochro-
matiques telles que des lampes au mercure ou des lasers.
L’exp´erience permettait ´egalement de mesurer les longueurs
d’onde des diff´erentes raies solaires en utilisant les can-
nelures du spectre.
ABCDEFGH
violet bleu vert jaune orangé rouge
400 500 600 700
Longueur d’onde (nanomètres)
Fig. 2. En haut, le spectre du Soleil avec ses raies et bandes
caract´eristiques. En bas, le mˆeme spectre form´e par l’appareil
de la Fig. 1 : il est modul´e par des cannelures alternativement
claires et noires.
L’exp´erience fut ´etendue par Foucault et Fizeau aux
“rayons calorifiques”, c’est `a dire `a l’infrarouge. Ils
pla¸caient un thermom`etre tr`es fin au del`a du cˆot´e rouge
du spectre. Afin d’´eliminer l’effet des d´erives thermiques,
ils occultaient r´eguli`erement le faisceau et mesuraient les
variations correspondantes de temp´erature (cette m´ethode
est utilis´ee universellement aujourd’hui pour l’infrarouge).
Le r´esultat confirme que le rayonnement infrarouge, bien
qu’invisible par l’œil, est de mˆeme nature que la lumi`ere
visible.
R
V
prisme
ouverture image
de
l’ouverture
spectre
cylindrique
lentille
lumière
de
l’héliostat
rayons rouges
rayons
violets
plaque
daguerréotype
L′
L′′
Fig. 3. L’appareil de Foucault et Fizeau destin´e `a produire
des plages uniformes de couleur pure, avec lesquelles ils
pr´e-exposaient les plaques daguerr´eotypes. Un spectre ´etait
form´e sur un ´ecran en R—V par le prisme et les lentilles L0et
L00 . Une fente dans cet ´ecran s´electionnait la couleur d´esir´ee.
Les lignes en traits interrompus ne repr´esentent pas des rayons
lumineux, mais montrent comment la lentille L00 donne une
image de l’ouverture sur la plaque.
Avec une variante de l’appareil, sans le dispositif
d’interf´erences, repr´esent´ee Fig. 3, les deux physiciens pou-
vaient obtenir des plages ´etendues de couleurs pures, avec
lesquelles ils ´etudi`erent les propri´et´es du daguerr´eotype,
tandis qu’avec le mˆeme dispositif Foucault r´ealisait avec son
ami m´edecin Jules Regnauld (1820-1895) des exp´eriences
sur la vision des couleurs qui ont conserv´e aujourd’hui leur
int´erˆet.
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