Les expériences d`optique
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Les expériences d’optique fentes f ′′ virtuelles miroirs f′ m′′ m′ f H o G F E D C B A spectre image linéaire du Soleil lentille cylindrique lumière de l’héliostat écran V prisme R L′ violet bleu vert jaune orangé rouge L′′ Fig. 1. L’appareil d’interférences de Foucault et Fizeau. Les deux miroirs de Fresnel m0 et m00 font de l’objet linéaire f deux images virtuelles f 0 et f 00 , qui forment des franges d’interférences sur l’écran. Une fente mobile o reprend la lumière à une distance réglable de la frange centrale, et le spectre en est formé par un prisme. 400 500 600 700 Longueur d’onde (nanomètres) Fig. 2. En haut, le spectre du Soleil avec ses raies et bandes caractéristiques. En bas, le même spectre formé par l’appareil de la Fig. 1 : il est modulé par des cannelures alternativement claires et noires. De 1845 à 1847, Foucault et Fizeau réalisèrent plusieurs expériences d’optique physique, portant sur les interférences et sur la polarisation de la lumière. C’était d’actualité, puisque Augustin Fresnel (1788-1827) avait développé la théorie de la nature ondulatoire de la lumière et que François Arago (1786-1853) étudiait la polarisation découverte en 1808 par Etienne Louis Malus (17751812). Ces expériences utilisent des variantes de l’appareil représenté figure 1, dont il ne subsiste que la partie de gauche (présentée à l’exposition), un dispositif d’interférences à miroirs de Fresnel. Foucault et Fizeau projetaient sur un écran les franges d’interférences formées par ce dispositif éclairé en lumière blanche (celle du Soleil). Ils plaçaient une fente à une certaine distance de la frange centrale, dans la zone où les franges sont brouillées, et analysaient avec un prisme la lumière transmise par cette fente. Ils obtenaient ainsi une spectre de la lumière solaire, avec ses raies et bandes intrinsèques, auquel se superposaient des cannelures alternativement claires et sombres (Fig. 2). Les cannelures claires se trouvaient aux longueurs d’onde où la lumière arrivait en phase des deux miroirs de Fresnel, et les cannelures sombres aux longueurs d’onde où il y avait opposition de phase. Le but était de savoir si l’on pouvait observer des cannelures, donc des phénomènes d’interférence, avec de grandes différences de marche entre deux faisceaux en interférence. Foucault et Fizeau parvinrent ainsi à observer des interférences jusqu’à une différence de marche de 1,4 millimètres, puis de 3,2 millimètres avec une variante expérimentale utilisant le phénomène de polarisation chromatique découvert par Arago. Il est facile aujourd’hui d’observer des interférences à grande différence de marche en lumière monochromatique, mais il faut savoir qu’à l’époque on ne disposait pas de sources monochromatiques telles que des lampes au mercure ou des lasers. L’expérience permettait également de mesurer les longueurs d’onde des différentes raies solaires en utilisant les cannelures du spectre. L’expérience fut étendue par Foucault et Fizeau aux “rayons calorifiques”, c’est à dire à l’infrarouge. Ils plaçaient un thermomètre très fin au delà du côté rouge du spectre. Afin d’éliminer l’effet des dérives thermiques, ils occultaient régulièrement le faisceau et mesuraient les variations correspondantes de température (cette méthode est utilisée universellement aujourd’hui pour l’infrarouge). Le résultat confirme que le rayonnement infrarouge, bien qu’invisible par l’œil, est de même nature que la lumière visible. plaque daguerréotype rayons rouges lentille cylindrique prisme L′′ R V L′ lumière de l’héliostat spectre ouverture rayons violets image de l’ouverture Fig. 3. L’appareil de Foucault et Fizeau destiné à produire des plages uniformes de couleur pure, avec lesquelles ils pré-exposaient les plaques daguerréotypes. Un spectre était formé sur un écran en R—V par le prisme et les lentilles L0 et L00 . Une fente dans cet écran sélectionnait la couleur désirée. Les lignes en traits interrompus ne représentent 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’interférences, représentée Fig. 3, les deux physiciens pouvaient obtenir des plages étendues de couleurs pures, avec lesquelles ils étudièrent les propriétés du daguerréotype, tandis qu’avec le même dispositif Foucault réalisait avec son ami médecin Jules Regnauld (1820-1895) des expériences sur la vision des couleurs qui ont conservé aujourd’hui leur intérêt. 1
