TP n°5 : le phénomène d`interférences

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TP de Sciences Physiques nÀ5
Le phénomène dÊinterférences
Objectifs de la séance
Observer et analyser le phénomène d’interférences d’ondes océaniques.
Réaliser un montage permettant d’obtenir une figure d’interférences d’ondes lumineuses.
Comprendre la relation entre la structure de la figure obtenue et les caractéristiques de l’obstacle.
Savoir déterminer expérimentalement la longueur d’onde d’une onde lumineuse monochromatique.
Compétences évaluées
Un compte–rendu vous sera demandé en fin de séance. Les compétences évaluées ici sont : « s’approprier »
(la problématique à l’aide de documents, coefficient 1), « réaliser » (montage, obtention des figures et
mesures, coefficient 2), « analyser » (établir un protocole, coefficient 2), et « valider » (exploitation des
valeurs mesurées et cohérence des résultats, coefficient 1).
Introduction
Les baies de Sao Martino do Porto, au Portugal (photo de gauche) et de Saint Jean de Luz, en France (photo
de droite), sont le siège de phénomènes ondulatoires naturels.
I - Découverte du phénomène d’interférences
Décris brièvement chacune des deux images.
Schématise simplement les deux situations.
Exprime brièvement ce qu’est le phénomène d’interférences.
II - Observation : diffraction d’une onde lumineuse par une fente unique ou deux fentes proches
Réalise un montage pour observer une figure de diffraction, puis une figure d’interférences, à l’aide du
matériel disponible. Appelle le professeur pour lui montrer successivement les deux figures.
Schématise chacune des deux figures obtenues (sans souci d’échelle).
Compare la structure de ces figures en quelques phrases (pas de mesures ici, on ne comparera pas les
largeurs des deux figures, qui dépendent de trop nombreux paramètres).

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III - Mesure expérimentale de la longueur d’onde d’une lumière monochromatique
Document n°1 : Thomas Young
Thomas Young (1773 – 1829, 56 ans), est un physicien, médecin et égyptologue
britannique. Son excellence dans de nombreux domaines non reliés fait qu'il est
considéré comme un polymathe, au même titre par exemple que Léonard de
Vinci. Il exerça la médecine toute sa vie, mais il est surtout connu pour sa
définition du module d’Young en science des matériaux et pour son expérience
des fentes d’Young en optique, dans laquelle il mit en évidence et interpréta le
phénomène d’interférences lumineuses. Il s’intéressa également à l’égyptologie
en participant à l’étude de la pierre de Rosette.
(http://fr.wikipedia.org/wiki/Thomas_Young)
Document n°2 : modélisation mathématique de la figure d’interférences lumineuses
L’étude théorique d’une figure d’interférences lumineuses montre que :
e
D
i×λ = (avec i, λ, e et D en mètres)
où « D » représente la distance entre les fentes d’Young et l’écran, « e » l’écart entre les fentes d’Young,
« i » l’interfrange et « λ » la longueur d’onde du faisceau lumineux utilisé. On remarquera que la taille de
l’ouverture n’intervient pas ici.
Définition : dans le cas d’interférences lumineuses, on appelle « interfrange » la distance du milieu d’une
zone noire au milieu de la zone noire suivante, soit la largeur d’une tâche d’interférence constructive.
Document n°3 : définition de la longueur d’onde
Une onde périodique est un phénomène physique qui se propage et se reproduit à l'identique un peu plus
tard dans le temps et un peu plus loin dans l’espace. On peut alors définir la longueur d’onde comme étant
la plus courte distance séparant deux points de l’onde qui vibrent en phase, c'est-à-dire qui effectuent le
même mouvement au même moment.
Document n°4 : notice de la diode laser rouge 1 mW (classe II)
Diode laser spécialement étudiée pour répondre aux règles de sécurité
définies par la circulaire du Ministère de l'Education Nationale du 12/10/99.
Un réglage vertical de ± 3° permet de réaliser un alignement optique parfait
avec l'écran gradué.
Caractéristiques
Diamètre du rayon (à 5 m) : 8 mm
Longueur d'onde : 650 nm
Problème
Rappel : pour mesurer la longueur d’onde des ondes ultrasonores, nous avons visualisé une onde
sinusoïdale à l’aide de deux récepteurs. Nous avons placé les deux récepteurs de manière à observer sur un
écran d’oscilloscope des courbes en phases, puis nous avons fait « glisser une courbe sur l’autre » afin de
retrouver des courbes en phase. La distance de déplacement relative d’un récepteur par rapport à l’autre
entre deux mises en phase successives correspondait à une longueur d’onde. Malheureusement, cette
méthode n’est évidemment pas applicable dans le cas d’une onde lumineuse dont la longueur d’onde est de
l’ordre -7 (dixième de micron).
Il vous est demandé d’établir un protocole (sous forme de schéma), de le faire valider, puis de prendre les
mesures nécessaires afin de vérifier l’information de longueur d’onde donnée par le constructeur du laser.