Sujet 2015-2016 - fabrice CAPBERT Sciences Physiques Lycée
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Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE Classe de Ter S Date 17/11/2015 Nom : Prénom : DS n°3 « Diffraction, Doppler et interférence » Donnée: célérité de la lumière dans le vide ou dans l'air c = 3,00 10 m.s . Exercice 1 : Un faisceau de lumière, parallèle monochromatique. de longueur d’onde, produit par une source laser arrive sur un fil vertical, de diamètre a (a est de l'ordre du dixième de millimètre). On place un écran à une distance D de ce fil; la distance D est grande devant a ( cf. figure 1). 8 -1 = quelques cm D (m) Ecra n Laser Fil Figure 1 1. La figure 2 de l'annexe à rendre avec la copie présente l'expérience vue de dessus et la figure observée sur l'écran. Quel enseignement sur la nature de la lumière ce phénomène apporte-t-il ? Nommer ce phénomène. 2. Faire apparaître sur la figure 2 de l'annexe l'écart angulaire ou demi-angle de diffraction et la distance D entre l'objet diffractant (en l'occurrence le fil) et l'écran. 3. En utilisant la figure 2 de l'annexe exprimer l'écart angulaire en fonction des grandeurs L et D sachant que pour de petits angles exprimés en radian : tan = . 4. Quelle expression mathématique lie les grandeurs , et a ? (On supposera que la loi est la même que pour une fente de largeur a). Préciser les unités respectives de ces grandeurs physiques. 5. En utilisant les résultats précédents, trouvez la relation de la largeur L de la tâche centrale de diffraction en fonction de , de a et de D: 6. On dispose de deux fils calibrés de diamètres respectifs a1 = 60 µm et a2 = 80 µm. On place successivement ces deux fils verticaux dans le dispositif présenté par la figure 1. On obtient sur l'écran deux figures de diffraction distinctes notées A et B (cf. figure 3 annexe). Associer, en le justifiant, à chacun des deux fils la figure de diffraction qui lui correspond. On cherche maintenant à déterminer expérimentalement la longueur d'onde dans le vide de la lumière monochromatique émise par la source laser utilisée. Pour cela, on place devant le faisceau laser des fils calibrés verticaux. On désigne par « a » le diamètre d'un fil. La figure de diffraction obtenue est observée sur un écran blanc situé à une distance D = 2,50 m des fils. Pour chacun des fils, on mesure la largeur L de la tâche centrale de diffraction. On trace la courbe L = f(1/a) (cf. figure 4, annexe) 7. La lumière émise par la source laser est dite monochromatique. Quelle est la signification de ce terme ? 8. Montrer que l'allure de la courbe L = f(1/a) obtenue est en accord avec l'expression de L donnée en 5.Justifiez. 9. Donner l'équation de la courbe L = f(1/a) et en déduire la valeur de la longueur d'onde dans le vide de la lumière monochromatique constitutive du faisceau laser utilisé. 10. Calculer la fréquence de la lumière monochromatique émise par la source laser. /17 TOTAL Exercice DS n°3 « Diffraction, Doppler et interférence » Page 1 Exercice 2 : Donnée: vitesse de propagation du son dans l'air vson = 340 m.s . L'inspecteur Clouseau doit déterminer la vitesse d’un fuyard. Le fuyard est parti avec une ambulance, sirène hurlante. Par chance, un témoin a enregistré la fuite avec son téléphone portable. -1 L’ambulance munie d'une sirène se déplace vers la droite à la vitesse v inférieure à la vitesse du son vson. La sirène retentit et émet un son de fréquence f = 680 Hz. Le véhicule se rapproche d'un observateur immobile. Pendant l'intervalle de temps T, le son parcourt la distance 𝜆. Pendant ce temps, le véhicule parcourt la distance d = 𝑣 × 𝑇 La longueur d'onde 𝜆 ' perçue par l'observateur à droite de la source S a donc l'expression suivante : 𝝀′ = 𝝀 − 𝒗 × 𝑻 relation (1). En quelques phrases, expliquez simplement le phénomène Doppler. 2- Rappeler la relation générale liant la vitesse de propagation du son vson, la longueur d'onde 𝜆 et la fréquence f. 𝑣 3- En déduire que la relation (1) permet d'écrire 𝑓 ′ = 𝑓 × 𝑠𝑜𝑛 (f ’ étant la fréquence sonore perçue par 𝑣𝑠𝑜𝑛 −𝑣 l'observateur). 4- Le son perçu de fréquence f’ est-il plus grave ou plus aigu que le son d'origine de fréquence f ? Justifier. 5- Lorsque le véhicule se rapproche de l'observateur perçoit un son de fréquence 𝑓 ' = 716 Hz. Exprimez puis calculer la vitesse du véhicule v en m/s puis en km/h. TOTAL Exercice /11 Exercice 3 : On éclaire deux fentes parallèles, de largeur a et distantes d'une longueur b avec un faisceau laser de longueur d’onde 𝜆. On observe alors sur un écran situé à une distance D = 1,0 m la figure d'interférence cicontre. 1. Déterminer la valeur de l'interfrange i 2. La valeur de l'interfrange est donnée par la relation 𝑖 = 𝜆×𝐷 𝑏 Montrer avec cette expression que i est bien homogène à une longueur. 3. Calculer la distance entre les deux fentes si la longueur d'onde du laser est de 633 nm. TOTAL Exercice /5 Exercice 4 : On considère deux sources d'ondes électromagnétiques S 1 et S2 monochromatiques cohérentes de longueur d’onde 0,60 mm. Ces deux sources sont distantes de 5,0 mm. L’écran sur lequel se forme la figure d’interférence est placé à 1,30 cm du plan de ces deux sources. 1. Sachant que le point P de l’écran se trouve à une distance de 1,54 cm de la source S 1 et à une distance de 2,11 cm de la source S2, préciser la nature de l'interférence en ce point. C'est-à-dire si l’interférence est de nature constructive ou destructive. 2. Ces ondes électromagnétiques forment-elles une figure d'interférence visible à l'œil nu ? Justifier. TOTAL Exercice DS n°3 « Diffraction, Doppler et interférence » /5 Page 2 ANNEXE de l’exercice n°1 à rendre avec la copie Nom : Questions 1, 2 et 3 Figure 2 vue de dessus : le fil est perpendiculaire au plan de la figure Question 6: Figure 3 Figure A Figure B Questions 8 et 9 : Figure 4 DS n°3 « Diffraction, Doppler et interférence » Page 3
