Chapitre 3 / TP 2 : Interférences lumineuses 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- Étude qualitative du phénomène d'interférence Doc 1 : Vous disposez d’une diapositive avec trois doubles fentes fines parallèles et proches. Choisir la double fente du milieu et l’éclairer avec le laser en plaçant l’écran à une distance D > 1,50 m des fentes. 1) Décrire la figure d’interférences observée sur l’écran en indiquant l’effet de la deuxième fente par rapport au phénomène de diffraction observé pendant le TP précédent. 2) Les fentes d'Young se comportent comme deux sources de lumières dont les faisceaux se superposent sur l'écran. Remplacer les fentes par deux deux lasers identiques en superposant leurs faisceaux. Observe t-on une figure d'interférence ? Quelle condition doit être respectée pour observer une figure d'interférences ? Doc 2 : Fentes d'Young 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». 3) Représenter l’interfrange i sur le schéma ci-dessus. Comment peut mesurer précisément l’interfrange i ? II- Étude quantitative A l'aide de l'animation « Interférence », mesurer l'interfrange i pour différentes distances b séparant les fentes (on choisira une longueur d'onde de 780nm et des fentes de largeur a=170µm). Répertorier les résultats dans le tableur d'Atelier scientifique. Lorsque vous utilisez un logiciel informatique, il est préférable de rentrer les données avec les unités du système international. L’interfrange i est donné par l’une des expressions suivantes : λ 2×D λ 2×D D3 λ λ×D λ×b i= i= i= i=D+ i= i= 2 b b×λ b b D b 1) Éliminer celle ou celles qui ne sont pas homogènes. 2) A l'aide de vos données, déterminer quelles formules pourraient être correctes. Expliquer votre raisonnement et tracer sur votre compte rendu, l'allure des courbes obtenues avec le logiciel. 3) A l'aide d'une étude qualitative rapide, retrouver la bonne expression parmi celle proposées ( λ étant la longueur d'onde du laser utilisé) 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 ( au 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) √ Δb Δ λ 2 Δi 2 ΔD 2 = ( ) +( ) +( ) Donnée : Incertitude relative sur la mesure de b : λ b i D Votre résultat est-il en accord avec la donnée 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 Blu-ray 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 : √ b=λ 1+4 2 () d x avec λ la longueur d’onde de la lumière laser. ( 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