7- Diffraction des ondes lumineuses

TS – Physique – Propriétés des ondes – TP n° 7
Diffraction des ondes lumineuses
La diffraction lumineuse est le comportement de la lumière lorsqu’elle rencontre un obstacle qui ne leur est pas
complètement transparent. La diffraction se manifeste par le fait qu'après la rencontre d’un objet, l'onde incidente
n'est pas transmise selon les simples lois de l'optique géométrique (basée sur la modèle du rayon lumineux et de la
propagation en ligne droite de la lumière).
La diffraction s’observe avec la lumière, mais également avec le son, les vagues. Elle est
une signature de la nature ondulatoire d'un phénomène.
Objectif : étudier l'influence de paramètres sur le phénomène de diffraction lumineuse,
Exploiter le phénomène pour déterminer des caractéristiques de l'objet diffractant ou de
la lumière diffractée
Figure de diffraction obtenue
par une ouverture carrée
Matériel
-
Une diode laser émettant un rayon laser de longueur d’onde λ.
Des diapositives comprenant des fentes de largeurs calibrées et des fils de diamètres calibrés,
ou des ouvertures circulaires.
Un support de diapositive.
Un écran blanc et un mètre ruban.
Un écran noir avec règle graduée.
Webcam reliée à l’ordinateur + notice d’utilisation.
Attention à ne pas recevoir le rayon laser dans les yeux et à ne pas le diriger vers les autres camarades.
-
I.
Spectroscopie par diffraction
 But : remonter à une caractéristique
de la lumière diffractée (ici sa
longueur d'onde λ) à partir de la figure
de diffraction.
Schéma, notations et rappels :
D : distance fente-écran ;
L : largeur de la tache centrale de diffraction ;
θ : largeur angulaire de la ½ tache centrale de diffraction ̴ λ / a.
tan α ̴ α pour α << 1 (en radian)
a : largeur de la fente ;
1. Elaborer un protocole expérimental permettant d'évaluer avec le maximum de précision la longueur d'onde
de la lumière diffractée.
2. Préciser les relations théoriques, les modélisations informatiques exploitées.
|𝜆exp − 𝜆𝑡ℎ𝑒𝑜 |
x
𝜆𝑡ℎé𝑜
3. Déterminer l'écart relatif entre valeur expérimentale et théorique (
100 ).
4. Proposer une (des) amélioration(s) à votre protocole pour une meilleure précision de mesure de λ.
II.
Diffraction circulaire
1) Diffraction par un motif
Voici le résultat de la diffraction par une pupille de diamètre a (figure 1)
La répartition de l'énergie lumineuse est donnée par la figure 2
La tache centrale est
appelée « tache d'Airy »
figure1
Figure2
2) Dispositif expérimental pour la détermination de la taille de l’objet diffractant
A l’aide du matériel mis à disposition et du schéma ci-dessous, mettre en œuvre le montage suivant :
Objet diffractant
L
Ecran
Laser
Caméra reliée à
l’ordinateur





Placer le laser à 5 cm de l’objet diffractant.
Placer l’objet diffractant à 1,50 m de l’écran muni du canson noir.
Placer la caméra 5 à 15 cm devant l’écran noir.
Procéder à l’acquisition de la figure de diffraction par l’intermédiaire de la caméra.
Enregistrer la figure de diffraction, avec la meilleure netteté possible (Fichier nominatif).
Rail
3) Exploitation des données expérimentales
a) Avec le logiciel de traitements d’images, déterminer l’échelle de la figure de diffraction.
b) Utiliser l’image traitée pour effectuer la mesure du diamètre dAiry de la tache obtenue.
c) A l’aide des documents du II- 1), en déduire le diamètre a de l’ouverture circulaire. Expliciter précisément
la démarche et les calculs.
4) Pour aller plus loin … Diffraction par N motifs
Les lycopodes sont des plantes vivaces et
courantes qui possèdent des racines, des tiges et
des feuilles mais sont dépourvus de fleurs, de
graines et de fruits. Elles se reproduisent grâce à
leurs spores.
 Expérience (au bureau) :
Une lamelle de microscope, saupoudrée de spores de lycopode, est éclairée par un laser Hélium-Néon (λ = 632,8
nm).
Les spores diffractant la lumière sont très nombreuses et réparties aléatoirement : on obtient ainsi une figure
analogue à diffraction par une spore mais N fois plus lumineuse.
a. Comparer la figure de diffraction obtenue à l'aide des spores (que l'on peut modéliser par un disque opaque) et
celle obtenue à l'aide d'une pupille circulaire.
b. Déterminer un ordre de grandeur du diamètre des spores de lycopodes.
c. Effectuer une mesure de contrôle au microscope.
Auto-évaluation
CAPACITES ET ATTITUDES
Réaliser
• Réaliser le dispositif expérimental correspondant au protocole
• Respecter les règles de sécurité
• Maîtriser certains gestes techniques
• Observer et décrire les phénomènes
Analyser
• Proposer et/ou justifier un protocole, identifier les paramètres pertinents
• Définir les conditions d’utilisation des instruments de mesure, réaliser et régler les dispositifs
expérimentaux dans les conditions de précision correspondant au protocole
Valider
• Extraire des informations des données expérimentales et les exploiter
• Confronter un modèle à des résultats expérimentaux : vérifier la cohérence des résultats
obtenus avec ceux attendus
• Analyser l’ensemble des résultats de façon critique et faire des propositions pour améliorer
la démarche ou le modèle
Communiquer
• Rendre compte de façon écrite
CODE
REA
REA2
REA3
REA4
REA5
ANA
ANA3
ANA4
VAL
VAL1
VAL3
VAL4
COM
COM1
D
C
B
A