Ondes périodiques - Acoustique - Bougaud

Thème : Observer
Chap.3 :Propriétés des ondes
(Diffraction – Interférences - Effet Doppler)
Physique - Chap.3
I. Diffraction
1) Onde diaphragmée ou onde diffractée
• Si la dimension de l’obstacle
ou de l’ouverture a est
grande par rapport à la
longueur d’onde, l’onde est
simplement diaphragmée
(elle a même fréquence,
même longueur d’onde et
même direction de
propagation avant et après
l’obstacle).
I. Diffraction
1) Onde diaphragmée ou onde diffractée
• Si la dimension de l’obstacle
ou de l’ouverture a est
petite par rapport à la
longueur d’onde, l’onde est
diffractée (elle a même
fréquence, même longueur
d’onde et direction
différente de propagation
avant et après l’obstacle).
I. Diffraction
2) Définition de la diffraction
• La diffraction est une propriété caractéristique
des ondes (mécaniques ou lumineuses)
• Si l’onde rencontre un obstacle ou une
ouverture de petite dimension devant la
longueur d’onde alors les directions de
propagation changent.
• Plus la dimension de l’obstacle ou de
l’ouverture est petite, plus la diffraction est
importante.
I. Diffraction
2) Diffraction des ondes lumineuses
• La diffraction la diffraction
peut encore être observée
avec des obstacles ou des
ouvertures dont la
dimension peut atteindre
jusqu’à 100 fois la longueur
d’onde.
Diffraction par une ouverture
carrée
I. Diffraction
2) Diffraction des ondes lumineuses
On définit l’écart angulaire  de diffraction comme l’angle sous lequel
on voit, depuis l’obstacle, la demie tache centrale de diffraction
• Dans le cas d’un obstacle ou d’une ouverture rectangulaire (fente
ou fil par exemple), l’écart angulaire est tel que  = /a
I. Diffraction
2) Diffraction des ondes lumineuses
Source :
http://guy.chaumeton.pagespersoorange.fr/scphysiques2010/tsph03c.htm
Figure de diffraction par une ouverture circulaire
• Dans le cas d’un obstacle ou d’une ouverture circulaire (trou ou
point par exemple), l’écart angulaire est tel que :  = 1,22  /a
I. Diffraction
3) Diffraction en lumière blanche
Figure de diffraction par une fente en lumière blanche
En lumière blanche, la figure de diffraction présente une tache
centrale blanche et des taches latérales de diffraction irisées.
II. Interférences
1) Observations
• Une seule fente donne une figure de diffraction. (fig.a)
• Avec deux fentes parallèles éclairées en lumière
monochromatique on observe une figure de diffraction striée
d’une alternance de bandes noires et lumineuses appelées
franges d’interférence. (fig.b)
II. Interférences
2) Conditions d’interférences
• Une figure d’interférences s’obtient avec des ondes de même
fréquences et présentant un déphasage constant.
• Ce sont des ondes cohérentes. On utilise une source qui
éclaire deux fentes qui deviennent des sources secondaires.
II. Interférences
3) Superposition des ondes
• Interférences constructives
• Si les deux ondes arrivent en phase au point M (leur décalage temporel
est donc un multiple entier de la période T de l'onde), alors les deux
ondes vont se renforcer et l'amplitude de la perturbation résultante au
point M sera maximale.
• On dit qu'il y a interférences constructives.
• Interférences destructives
• Si, au contraire, les deux ondes arrivent en opposition de phase au point
M, alors les deux ondes vont s'annihiler et l'amplitude de la perturbation
résultante au point M sera minimale.
• On dit qu'il y a interférences destructives.
II. Interférences
3) Superposition des ondes
• Interférences constructives
• Interférences destructives
II. Interférences
4) Différence de marche
• On appelle différence de marche, notée  en un point M la
différence entre les distances d1 = S1M et d2 = S2M.
• Autrement dit :  = d2 - d1
• D'après ce qui précède, le décalage temporel entre les
deux ondes au point M est donné par t = 2 - 1
II. Interférences
4) Différence de marche
• Interférences constructives
•
•
•
•
•
t = 2 - 1 = k T = k./v avec v célérité de l’onde
v(2 - 1) = k.
v.2 – v.1 = k.
d2 – d1 = k.
 = k. avec k entier relatif
• Interférences destructives
•  = (k + 1/2). avec k entier relatif
•
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/interferences.swf
II. Interférences
5) Interfrange
• L'interfrange, noté i, est la distance séparant deux franges
brillantes ou des deux franges sombres consécutives.
II. Interférences
5) Interfrange
La valeur de l’interfrange i peut se calculer
suivant l’expression suivante :
i en m si  en m, D en m et a en m
II. Interférences
6) Interférences en lumière blanche
Des taches d'huiles, des CD ou des
DVD, des ailes d'insectes ou des
bulles de savons éclairées en lumière
blanche font apparaître des irisations.
Chaque radiation de longueur d'onde λ donne sa
propre figure d'interférences. La superposition de
ces figures conduit à l'observation de zones
colorées.
On parle de couleurs interférentielles.
III. Effet Doppler - Fizeau
1) Observations
Expérience historique de Doppler
• http://spcvauge.free.fr/Doppler_2_TS2012.swf
Autres expériences
•Ondes à la surface de l’eau
•Ondes électromagnétiques
• Conclusions : Une onde électromagnétique ou mécanique
émise avec une fréquence fE est perçue une fréquence fR
différente lorsque l'émetteur et le récepteur sont en
déplacement relatif : c'est l'effet Doppler-Fizeau
III. Effet Doppler - Fizeau
2) Lien entre période émise et période reçue
• Soit une source se
déplaçant à la vitesse v en
direction d’un observateur
fixe.
• Soit une onde émise avec
une période T. Elle est reçue
avec une période TR.
III. Effet Doppler-Fizeau
•
•
•
•
•
•
Pour l’observateur, la période est TR = t4 – t2
TR = [T + (D – v.T)/c] – [D/c]
TR = [T + D/c – v.T/c] – [D/c]
TR = T + D/c – v.T/c – D/c
TR = T – v.T/c
TR = T(1 – v/c)
Si la source s’approche,
v/c > 0 donc -v/c < 0 soit (1-v/c) < 1, TR < T,
la période reçue TR est plus faible que la période émise T.
La fréquence reçue fR est plus grande que la fréquence émise f.
(Le son parait plus aigu)
La longueur d’onde reçue R est plus faible la longueur d’onde émise .
III. Effet Doppler-Fizeau
• Si la source s’éloigne,
• TR = T(1 + v/c)
•
•
•
v/c > 0 donc +v/c > 0 soit (1+v/c) > 1, TR > T,
la période reçue TR est plus grande que la période émise T.
La fréquence reçue fR est plus faible que la fréquence émise f.
(Le son parait plus grave)
La longueur d’onde reçue R est plus grande que la longueur d’onde émise .
III. Effet Doppler - Fizeau
3) Décalage Doppler à faible vitesse
• Si la vitesse v de déplacement de la source est faible par
rapport à la célérité c des ondes, on a l’approximation
Le décalage en fréquences est f = freçue - f
III. Effet Doppler - Fizeau
4) Effet Fizeau
•
http://www.larousse.fr/encyclopedie/animations/Fuite_des_galaxies/1100509
• Plus la galaxie s'éloigne vite, plus le spectre lumineux est
décalé vers le rouge;
• Plus la galaxie se rapproche vite, plus le spectre lumineux
est décalé vers le bleu.