BAILLET Yohann - CAPES de Physique

BAILLET Yohann
Montage n°23 : Diffraction dans différents domaines de la physique
Introduction
La diffraction est un phénomène physique qui peut se produire lorsque nous sommes en
présence d’une onde. Elle peut se produire lorsque que toute onde (électromagnétique ou
mécanique) est matériellement limitée par obstacle. Par obstacle, on entend soit une ouverture ou
une figure pleine.
Le terme diffraction a été inventé par l'italien Francesco Grimaldi en 1660 qui fut le premier à
observer en détail l'ombre portée par un cheveu sur un écran et à y découvrir des franges colorées
encore jamais décrites et peu compatibles avec le modèle des "rayons lumineux". Elle fut
interprétée correctement comme un comportement ondulatoire par Huygens, puis étudiée par
Fresnel et Fraunhofer suite aux expériences de Young.
La notion de diffraction est vue en classe de Terminale S dans la partie « Observer : Ondes et
matière ». Il leur est notamment demandé de savoir les grandeurs influençant la diffraction mais
également les situations où la diffraction peut se produire ou pas.
Durant cet exposé, nous allons étudier quelques principes concernant la diffraction des
ondes ainsi que quelques propriétés de la diffraction pour terminer par une application possible de la
diffraction.
I.
Principes
1) Principe de Huygens-Fresnel
 Matériel : Cuve à ondes avec dispositif stroboscope + Rapporteur
 But de l’expérience : Mise en évidence Huygens-Fresnel
 Exploitation : Mettre en évidence le principe de Huygens-Fresnel (tout élément de surface
de l'ouverture peut être considéré comme une source secondaire, se propageant de proche
en proche (Huygens) et l'amplitude de l'onde émise par cette source secondaire est
proportionnelle à la somme de chacun des éléments de surface de l'onde incidente)
2) Principe de Babinet
 Matériel : Laser 650nm + 1 fente de largeur connue + 1 fil de même diamètre que la fente +
Banc optique + Caméra Caliens avec PC + Ecran
 But de l’expérience : Mesure de largeur de tâche centrale dans les deux cas et observation
de la figure de diffraction
 Exploitation : Vérifier que la figure de diffraction est la même :
- Même forme
- Même largeur de tache centrale
 Exploitation : Principe de Babinet : « la forme d'une figure de diffraction est la même, en
dehors de l'image géométrique, si elle est obtenue à partir d'un corps opaque ou de son «
conjugué », obtenu en perçant une plaque aux emplacements où se situe ce corps »
II.
Propriétés
1) Longueur d’onde
 Matériel : Cuve à ondes avec dispositif stroboscope + Règle
 But de l’expérience : Mesure longueur d’onde
 Exploitation : Mesure de la longueur d’onde avant et après diffraction et vérifier que celle-ci
est identique
2) Angle d’ouverture
 Matériel : Dispositif ultrason avec fente de largeur réglable + Rapporteur + Oscilloscope
 But de l’expérience : Montrer que grâce à la diffraction, l’onde se propage dans différentes
directions
 Exploitation : Grâce à l’oscilloscope et à la « fourche » de détection, détecter l’angle
d’ouverture de la tache centrale et montrer l’influence de la largeur de la fente sur cet angle
d’ouverture
3) Forme de l’obstacle
 Matériel : Laser 650nm +Ouverture circulaire+ Fente + Banc optique + Ecran
 But de l’expérience : Faire l’analogie entre ouverture circulaire et fente
 Exploitation : En disant qu’une ouverture circulaire correspond à une infinité de fentes
inclinés, commenter la figure de diffraction d’une ouverture circulaire et montrer que cela
correspond bien à ce qui est attendu : figure de diffraction en anneau pouvant être obtenu
en faisant tourner le figure de diffraction d’une fente
III.
Tache centrale de diffraction
1) Expression
 Matériel : Laser 650nm + Fentes de largeurs connues + Banc optique + Caméra Caliens avec
PC
 But de l’expérience : Mesure de largeur de tache centrale
 Exploitation : Mesure de la largeur de la tâche centrale pour différentes fentes et vérifier la
proportionnalité entre la largeur de la tache centrale et l’inverse de la largeur de la fente
2) Application : détermination d’une longueur
 Matériel : Laser 650nm + Cheveu(x) sur diapo + Banc optique + Caméra Caliens avec PC
 But de l’expérience : Retrouver l’épaisseur d’un cheveu à l’aide de la largeur de la tache
centrale
 Exploitation : Retrouver l’épaisseur d’un cheveu à l’aide de la largeur de la tache centrale en
faisant un calcul d’incertitude
Conclusion
Durant cet exposé, il a été vu les principales notions concernant la diffraction avec une
application permettant de mesurer une distance.
Une des autres applications connues de la diffraction est l’holographie. Inventée par Gabor
en 1948, il a fallu attendre 1962 et l’avènement du laser afin que la technique puisse se développer.
L’holographie a pour but de donner en relief un objet enregistré. Où toute l’information de celui-ci
est dans l’amplitude et la phase des ondes émises ou réfléchies sur une surface qui l’entoure. Toutes
ces informations sont contenues dans une figure de diffraction. L’holographie consiste à une division
d’un faisceau laser en 2 parties dont une éclaire l’objet et l’autre éclaire la plaque photo. Les ondes
réfléchies par l’objet vont interférer sur la plaque photo avec le faisceau initial non dévié. Afin
d’observer l’hologramme sur la plaque photo, il faut replacer ce dernier dans un faisceau laser afin
que la figure de diffraction observée corresponde à l’image à 3 dimensions de l’objet photographié.
En revanche, une des points négatifs de la diffraction est le fait de limiter le pouvoir
séparateur des instruments d’optiques. Si deux détails d’un objet sont trop rapprochés, les taches de
diffractions de ces deux détails se chevaucheront et il sera alors impossible d’obtenir des images
séparées de ces détails. Le pouvoir séparateur d’un instrument optique est définit à l’aide du critère
de Rayleigh. Ce critère permet de déterminer s’il serait possible de distinguer deux taches de
diffractions issues de deux objets proches angulairement. Ce critère dit : « Deux images de diffraction
peuvent être séparées si leur distance angulaire est égale au rayon du disque d'Airy, ou encore : 2
images A’ et B’ correspondant à 2 points A et B sont distinctes si le sommet de la tache de diffraction
de l’un correspond au 1er minimum nul de l’autre. »
Bibliographie
[1] : Roger DUFFAIT, Expériences de Physique – CAPES de sciences physiques, 2008, Bréal
[2] : Jean-Paul BELLIER, Montages de physique : Electricité, électromagnétisme, électronique,
acoustique 2ème édition, 2004, Dunod
[3] : Jean-Paul BELLIER, Montages de physique : Optique, mécanique fluides, transferts thermiques
3ème édition, 2011, Dunod
[4] Nicolas BILLY, CAPES de sciences physiques Tome I, 2008, Belin