A6 - Peut-on modéliser la lumière par une onde
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A6 - Peut-on modéliser la lumière par une onde ? Newton et Huygens : deux conceptions de la lumière Le texte intitulé « Huygens et la nature ondulatoire de la lumière » ainsi que les questions correspondantes a été distribué aux élèves à la fin de la séance précédente. La tâche consiste à lire ce texte à la maison et à proposer des réponses aux questions posées. Le début de la séance est consacré à une mise en commun des réponses proposées par les élèves ainsi qu’à une discussion conduite par l’enseignant relative aux hypothèses corpusculaire formulée par Newton et ondulatoire émise par Huygens1. Une comparaison est effectuée avec les observations effectuées sur la cuve à onde afin de relever les arguments militant en faveur de chacune des deux hypothèses. A la fin du débat on décide de soumettre à l’observation expérimentale l’existence ou non des phénomènes de diffraction et de dispersion concernant la lumière. Que se passe-t-il si l’on tente de faire passer la lumière issue d’une source à travers des fentes de plus en plus petites ? Cas d’une lumière monochromatique Prévisions : On fait passer un faisceau de lumière monochromatique (par exemple laser de longueur d’onde égale à 632 nm) à travers une fente. Un écran est placé sur le trajet de la lumière ayant traversé la fente (figure ci-dessous). faisceau de lumière fente ? écran Selon vous, que peut-on s’attendre à observer sur l’écran lorsqu’on diminue la largeur de la fente selon qu’on privilégie, pour la lumière, une hypothèse fondée sur la propagation rectiligne ou une hypothèse ondulatoire ? On note alors les prévisions logiquement argumentées par l’une et l’autre des deux hypothèses. Prévisions attendues d’une hypothèse fondée sur la propagation rectiligne La largeur de la tache-impact de lumière observée sur l’écran doit diminuer avec celle de la fente. Chez Huygens comme dans le programme, le mot « ondulatoire » ne préjuge pas que l’onde soit sinusoïdale ni même périodique. 1 Prévisions attendues d’une hypothèse ondulatoire Par analogie avec ce qui a été observé sur la cuve à ondes, on peut s’attendre à ce que la largeur de la tache de lumière observée sur l’écran ne soit pas homothétique de celle de la fente, qu’elle soit, en fait, plus large et que sa taille augmente lorsque la largeur de la fente diminue. Validation expérimentale : Les élèves sont alors invités à effectuer le test expérimental : l’hypothèse ondulatoire est validée Mais l’observation du phénomène en optique fait apparaître des zones d’extinction suivies de nouvelles taches, plus petites situées de part et d’autre de la tache centrale. Question : Ce phénomène était-il déjà observable sur la cuve à ondes ? On propose alors aux élèves de regarder si un phénomène analogue est également observable sur la cuve à ondes : le résultat est positif. Importance du phénomène de diffraction Les élèves sont invités à choisir une grandeur susceptible de caractériser l’importance du phénomène. « Parmi les grandeurs suivantes : dimensions de la tache lumineuse centrale, distance de la fente à l’écran, distance de la source à l’écran, dimensions de la fente, quelle(s) est (sont) celle(s) qui vous parai(ssen)t pertinente(s) pour caractériser l’importance du phénomène de diffraction ? Pourquoi ? » La discussion porte sur le choix de la grandeur qui semble la plus pertinente. Les élèves sont ensuite invités à effectuer des mesures permettant de comparer la valeur de cette grandeur au rapport /a de la longueur d’onde de la lumière utilisée ( = 632 nm) à la largeur a de la fente. On vérifie alors la relation a Cas de la lumière blanche Le résultat précédent peut alors être utilisé pour prévoir l’allure de la figure de diffraction que l’on obtiendra si on éclaire une fente fine avec un faisceau de lumière blanche. Les différentes prédictions sont ensuite soumises à vérification expérimentale. Le phénomène de dispersion est-il observable avec la lumière ? Sur un écran, on forme devant les élèves le spectre lumière blanche avec un prisme. On pose ensuite aux élèves la question suivante : de la Question « Si l’on place, un filtre vert entre la source de blanche et le prisme, que verra-t-on sur l’écran ? répondrez au moyen d’un schéma légendé. » lumière Vous On peut raisonnablement s’attendre à ce que des répondent par des schémas voisins de celui que nous ci-contre, c’est-à-dire qu’ils colorient plus ou moins gris la totalité du spectre comme s’il s’était coloré fait du remplacement de la lumière blanche par de la verte. élèves donnons en vert et en vert du lumière Validation expérimentale Le résultat de l’expérience contredit, bien entendu ce pronostic. De la même façon, on peut recommencer l'activité avec d'autres filtres. Résultats Ces observations peuvent s’interpréter de la manière suivante : 1. la lumière blanche, loin d’être pure, doit être considérée comme un mélange de lumières différemment colorées (cf. cours de seconde). On peut s’en convaincre en recomposant, comme le fit Newton, la lumière blanche à partir de sa décomposition spectrale. On obtient alors une tache blanche. 2. chaque composante de ce mélange est différemment déviée par un prisme. On a vu en seconde qu’à chaque radiation correspond un indice de réfraction n tel que n.sin r sin i . On interprète le phénomène en représentant chaque radiation monochromatique par une onde de fréquence donnée qui se propage dans le prisme à une célérité v qui dépend de la fréquence de l’onde. On reconnaît ici une propriété analogue à celle qui a été observée avec les ondes observées sur la cuve à onde. On dit qu’il y a dispersion de la lumière et que le verre constitue pour la lumière un milieu dispersif. (Le phénomène ne se produit pas dans le vide et reste faible dans l’air) On indique que l’indice n est donné par la relation n = c / v dans laquelle c représente la célérité de la lumière dans le vide et v celle de la lumière dans le milieu considéré. Conclusion L’observation de phénomènes de diffraction et de dispersion accrédite l’idée d’une représentation de la lumière par des ondes. Cependant des différences existent entre ces ondes et les ondes mécaniques. Les premières peuvent se propager dans le vide ce qui n’est pas le cas des secondes. Dans le domaine du visible, les ondes qui représentent la lumière sont des ondes électromagnétiques, comme le sont également , dans d’autres domaines de fréquence, les ondes représentant les radiations infra rouge et ultraviolettes, les rayons X, le rayonnement les ondes radio et radar etc. Pour en savoir plus … Gouguenheim L., 1981, Méthodes de l’astrophysique. Comment connaître et comprendre l’univers, Hachette-CNRS col Liaisons scientifiques. Alonso M. & Finn E.J., Physique générale, tome II Champs et ondes, Trad G. Weill, 1977, Inter Editions, Paris, 293-298 et 352-353.
