Chapitre 3 / TP 1 - La physique chimie au lycée
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Chapitre 3 / TP 1 : Diffraction des ondes Que se passe t-il lorsqu'une onde franchit une fente ou frappe un obstacle ? I- Diffraction d'une onde mécanique 1) Rappeler ce qu'est une onde mécanique. 2) Que peut-on observer de particulier sur le document 1 ? Formuler une hypothèse sur la formation de ce phénomène. Pour simuler la houle en laboratoire, on peut utiliser une cuve à onde. Un système stroboscopique permet de visualiser correctement les ondes à la surface de l'eau. Pour créer une onde plane progressive, on fait vibrer une réglette à la surface de l'eau. On place ensuite sur le chemin de l'onde une fente de largeur notée a. Voici ce qu l'on observe : Doc 1 Observation de la houle au large de la Thaïlande 3) Noter vos observations. II- Diffraction des ondes lumineuses monochromatique La nature de la lumière a longtemps passionné les physiciens. Cet objet insaisissable - on ne la « voit » pas, et elle ne peut pas a priori être une onde mécanique (pourquoi ?) - présente deux propriétés caractéristiques de toutes les ondes : elle se diffracte et peut interférer. Nous allons tout d'abord étudier le phénomène de diffraction. Doc 2 : A l'aide d'observation expérimentale, indiquer la direction de la figure de diffraction par rapport à l'objet diffractant. 1) Influence de la distance Laser-fente LLF sur la figure de diffraction. A l'aide d'observations expérimentales, conclure quant à l'influence de la distance Laser-fente sur la figure de diffraction. 2) Influence de la distance fente-écran notée D a) A l’aide du schéma ci-contre, comment peut-on expliquer qu’a priori la distance fente-écran D a une influence sur la figure observée ? Dans la suite, on choisira une caractéristique de la figure de diffraction : la largeur de la tache centrale, notée L tc. Notez qu’elle se mesure entre les milieux des deux premières extinctions. Doc 3 : Diffraction par une fente b) Préciser le sens de variation de LTC en fonction de la distance D, au moyen d’observations expérimentales. c) Quelle configuration choisir pour réaliser les mesures les plus précises sur la figure ? 3) Influence de la taille de l’objet diffractant a) Placer successivement les trois fentes (a = 100, 200 et 400 μm) sur le trajet de la lumière laser et observer les figures obtenues à l’écran pour D = 1,50 m. Les reproduire sur une même feuille de papier. b) D’après vous, si l’on prenait des fentes encore plus larges, qu'observerait-on? c) Sur la même feuille de papier, reproduire la figure obtenue avec un fil de diamètre a = 100μm. Les figures obtenues avec la fente et le fil de 100 μm illustre de qu’on appelle en optique le théorème de Babinet. Proposez un énonce de ce théorème. 4) Relation mathématique Pour décrire le phénomène de diffraction, on défini l'écart angulaire θ (en radian) comme indiquée sur le schéma ci-dessous. a) Donner la relation liant l'écart angulaire à la distance fente-écran D et la largeur de la tache centrale LTC On considérera que la distance D est toujours très grande par rapport à la tache de diffraction LTC. Simplifier la relation précédente. Voici une liste de relations mathématiques liant les différents paramètres expérimentaux étudiés. (Lambda (λ) étant la longueur d'onde de la source lumineuse) θ= a θ= λ λ a LTC = 2λ aD θ=λ×a LTC = 2λa D LTC = θ= LLF a 2aD λ LTC = θ= λ2 a 2λD a A l'aide d'une analyse dimensionnelle, éliminer les relations fausses. Déduire des observations précédentes les relations correctes. 5) Application : Mesure de longueur d'onde A l’aide du matériel mis à disposition, vous proposerez un protocole permettant de déterminer la longueur d’onde du laser. Après validation, vous pourrez le réaliser et conclure. N’oubliez pas de discuter la précision de votre résultat. Incertitude relative sur la mesure : 2 ( ) ( ) ( ) 2 2 ΔLTC Δλ ΔD = + λ D LTC avec ΔD, ΔLTC et Δλ les incertitudes absolues des valeurs mesurées D, LTC et λ Votre résultat est il acceptable ? (longueur d'onde du laser donnée par le fabricant : λth = 632,8 nm) III- Diffraction des ondes lumineuses polychromatiques D’après l’étude précédente, tracer l’allure de la figure de diffraction obtenue avec un laser de couleur bleue sous celle du laser rouge, ci-dessous. Justifier. Doc 4 : Figure de diffraction en lumiere rouge A votre avis, quelle allure aura la figure de diffraction si on éclaire la fente en lumière blanche ? Rappel : la lumière blanche est la superposition de toute les lumières visibles de longueur d'onde comprises entre 400 et 750 nm, c'est donc une lumière polychromatique. Vérifier votre hypothèse avec l'animation suivante : http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffracfente/diffracfente.htm Qu'observe t-on au centre de la figure de diffraction ? Sur les cotés ?
