chapitre n°3 la lumiere : modele ondulatoire

Matériel
Laser fente fil réseau rétroprojecteur
Transparent avec schéma diffraction + spectres + prisme
CHAPITRE N°3 LA LUMIERE : MODELE ONDULATOIRE.
I DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE
1) Expériences de diffraction d'un faisceau laser:
a. Par une fente :
obs voir livre p 56 fig 1
Interprétation: la fente a diffractée la lumière dans une direction perpendiculaire à cette fente.
b. Par un trou :
obs voir livre fig 2
Interprétation: une ouverture circulaire a diffracté la lumière. On obtient sur l'écran une tâche circulaire
lumineuse entourée d'anneaux concentriques.
c. Par un fil :
La figure de diffraction est semblable a celle du faisceau laser par une fente.
Interprétation: le fil a diffracté la lumière dans une direction perpendiculaire au fil.
d Conclusion
La lumière se comporte comme une onde mécanique.
2) influence de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle
La diffraction est d'autant plus marquée que la largeur de l'ouverture ou de l'obstacle noté a est petite.
3) écart angulaire du faisceau diffracté par une ouverture
80% de l'énergie lumineuse reçue par l'écran est présente dans la tâche centrale de diffraction
Laser 670 nm
Faisceau
ouverture
Rectiligne
de largeur a

D
Ecran
Tache
centrale de
largeur 2d
largeur
2d
On peut remarquer que la largeur de la tâche augmente:
- si a diminue
- si la distance D entre l’ouverture et l’écran augmente
- si la longueur d’onde augmente
on admettra que d= D/a
L’écart angulaire entre le milieu de la tâche centrale et la première extinction est l’angle .
Celui-ci peut-être déterminé par la relation :
tan    d/D car  est petit
donc d = D
on en déduit que D = .D/a
 = .D/(D.a)
 en rad ;  et a en m
 =/a
4) diffraction en lumière blanche :
On observe un spectre fig 14 p 61 (avec un réseau)
Si l’on remplace la source de lumière blanche par une lampe au mercure on obtient le spectre suivant (fig16
p62) constitué de raies de différentes couleurs.
Une telle lumière ainsi que la lumière blanche est dite lumière polychromatique.
En revanche avec un laser on n’obtient une seule raie fig 15 p62. La lumière du laser est une lumière
monochromatique.
Ex 14 ;17 sauf 3) p71
II PROPAGATION DE LA LUMIERE DANS LE VIDE :
1) modèle ondulatoire de la lumière
On a remarqué que la lumière se comportait dans certaines conditions comme les ondes mécaniques.
Cc la lumière a une nature ondulatoire.
2) célérité de la lumière :
Dans le vide (et pratiquement dans l’air) toutes les ondes lumineuses se propagent avec une célérité
constante :
c= 2,997.108 m/s=3,00.105 km/s.
c est un vitesse limite.
3) longueur d’onde et fréquence :
Une onde lumineuse est caractérisée par sa fréquence f, on peut trouver  exprimée en Hz ou par sa période
T=1/f exprimée en seconde.
La fréquence d’une onde lumineuse est la même dans tous les milieux.
La longueur d’onde  dans le vide est la période spatiale égale à la distance parcourue par l’onde dans le
vide pendant une période :
=c.T=c/f
 en m ; c en m/s ; T en s ; f en Hz.
La longueur d’onde est souvent exprimée en nm.
L’œil humain est sensible aux ondes lumineuses comprises entre 400 et 800nm.
Voir fig 18 p63 à connaître.
Si < 400nm UV
Si  > 800 nm IR
Ex 12 ;18 ;21 p70
III PROPAGATION DE LA LUMIERE DANS LES MILIEUX TRANSPARENTS
1) invariance de la fréquence d’une radiation monochromatique
Elle est imposée par la source de l’onde. Elle ne dépend pas du milieu de propagation, et ne change donc pas
lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre.
2) indice de réfraction d’un milieu
L’indice de réfraction d’un milieu transparent est le rapport de la célérité c de la lumière dans le vide à la
vitesse v de propagation de la lumière dans ce milieu :
n=c/v
3) milieux dispersifs et non dispersifs :
Dans les milieux non dispersifs, la célérité d’une onde monochromatique ne dépend pas de sa fréquence.
L’indice du milieu est alors indépendant de la fréquence, donc de la longueur d’onde dans le vide l’onde.
Dans les milieux dispersifs, la célérité de l’onde monochromatique dépend de sa fréquence donc de sa
longueur d’onde. Il en est de même de l’indice du milieu.
Application : lorsque la lumière blanche traverse un prisme, les différentes radiations colorées constituant la
lumière blanche sont déviées différemment et sont séparées.
Ex 23 ; 26 p72