les ondes lumineuses 1

Cours physique Terminale S
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CH3 : LES ONDES LUMINEUSES
EXEMPLES D’ACTIVITES
CONTENUS
CONNAISSANCES ET SAVOIR-FAIRE
Figures de diffraction par une fente, un trou
un obstacle
Vérification par des mesures de la pertinence
de la relation θ = λ/a
Dispersion de la lumière blanche par un
prisme.
Dispersion de la lumière dans la vie courante
Vérification par des mesures de la pertinence
de la relation θ = λ /a.
3 - La lumière, modèle ondulatoire
Observation expérimentale de la diffraction en
lumière monochromatique et en lumière
blanche (irisation).
Propagation de la lumière dans le vide.
Modèle ondulatoire de la lumière : célérité,
longueur d’onde dans le vide, fréquence, λ =
c T = c/ν
Influence de la dimension de l’ouverture ou de
l’obstacle sur le phénomène observé ; écart
angulaire du faisceau diffracté par une fente
ou un fil rectilignes de largeur a : θ = λ /a.
Lumière monochromatique, lumière
polychromatique ; fréquence et couleur
Propagation de la lumière dans les milieux.
transparents ; indice du milieu. Mise en
évidence du phénomène de dispersion de la
lumière blanche par un prisme : l’indice d’un
milieu transparent dépend de la fréquence de
la lumière.
Savoir que, étant diffractée, la lumière peut
être décrite comme une onde.
Connaître l’importance de la dimension de
l’ouverture ou de l’obstacle sur le phénomène.
Exploiter une figure de diffraction dans le cas
des ondes lumineuses.
Connaître et savoir utiliser la relation λ = c/v,
la signification et l’unité de chaque terme.
Connaître et utiliser la relation θ = λ /a la
signification et l’unité de chaque terme.
Définir une lumière monochromatique et une
lumière polychromatique.
Connaître les limites des longueurs d’onde
dans le vide du spectre visible et les couleurs
correspondantes.
Situer les rayonnements ultraviolets et
infrarouges par rapport au spectre visible.
Savoir que la lumière se propage dans le vide
et dans les milieux transparents.
Savoir que la fréquence d’une radiation
monochromatique ne change pas lorsqu’elle
passe d’un milieu transparent à un autre.
Savoir que les milieux transparents sont plus
ou moins dispersifs.
Définir l’indice d’un milieu transparent pour
une fréquence donnée.
Savoir-faire expérimentaux
Réaliser un montage permettant de mettre en
évidence le phénomène de diffraction dans le
cas d’ondes lumineuses. Réaliser des
mesures permettant de vérifier la pertinence
de la relation θ=λ/a.
EXIGIBLES
1 - NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIERE
1.1- Mise en évidence expérimentale
1.1.1 - Diffraction par un trou circulaire
Intercepter le faisceau laser à un mètre de distance par un trou dont on peut Laser
Trou
faire varier le diamètre
Observation
Si le trou est de grande dimension, le faisceau est simplement diaphragmé. Par contre, si le trou est de petites dimensions, on
observe des anneaux de diffraction alternativement noirs et brillants et
pratiquement équidistants.
Séparateur
de faisceau laser
Plus le diamètre du trou est faible, plus la diffraction est importante.
Conclusion :
Laser
La lumière est diffractée par les ouvertures de faibles dimensions. A
1m
cause du phénomène de diffraction, on ne peut pas isoler un rayon
lumineux.
1.1.2 - Autres expériences de diffractions
taches
brillantes
Diffraction par une fente
Faire arriver un faisceau laser directement sur une fente de largeur a Laser
réglable.
La tache centrale est deux fois plus grande que les autres taches.
La luminosité de la tache centrale est plus intense que celle des autres taches.
Diffraction par un réseau
MONTAGE
Vérifier l'équidistance des premiers ordres positifs et négatifs.
1.2- Conclusions
Avec la lumière, on peut réaliser des expériences de diffraction et
d'interférences.
1m
Laser
2m
-3
-2
-1
0
Ordres
diffractés
1
2
3
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Les expériences de diffraction et d'interférences peuvent se réaliser avec des ondes mécaniques (à la surface de l'eau), sonores.
On peut donc penser que la lumière est une on
de.
La lumière est de nature ondulatoire mis en évidence par la diffraction et les interférences.
2 - ONDES LUMINEUSES - ONDES ELECTROMAGNETIQUES
2.1- Propriétés ondulatoires
2.1.1 - Expériences
Expérience : trajet d'un rayon lumineux dans un milieux homogène puis non homogène (utilisation d'une cuve d'eau salée).
Eau
Laser
Laser
Propagation rectiligne dans un milieu homogène.
Sel
Propagation dans un milieux non homogène (ex: eau plus ou
moins salée)
Explication sur les mirages.
2.1.2 - Conclusions
Dans un milieu homogène, une onde électromagnétique se propage en ligne droite. Les ondes électromagnétiques sont toutes de
même nature.
Applications de la propagation rectiligne :
- alignement
- détermination de la hauteur d'un arbre (voir seconde)
- guidage optique.
2.1.3 - Milieu de propagation:
La lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents.
2.1.4 - La lumière transporte de l'énergie.
Exemple : objet noir mis au soleil ; voiture en plein soleil ; cellules photovoltaïques.
Le soleil fourni en moyenne 1 kW/m²
2.1.5 - La vitesse de la lumière.
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide c vaut :
c = 299 792 458 m.s-1 ≈ 300 000 km.s-1
La vitesse de la lumière dans le vide est également appelé célérité.
Définition de l'année lumière : c'est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant un an.
1 a.l. = 9,5.10 12 km
2.1.6 - Vitesse de la lumière dans un milieu transparent.
La vitesse de la lumière notée v varie suivant le milieu transparent.
Elle vaut :
v=
c
n
n: indice de réfraction du milieu
c: vitesse de la lumière dans le vide (célérité)
v: vitesse de propagation dans le milieux transparent.
Quelques valeurs numériques :
Milieu
Air
Eau
Verre
Cristal
diamant
Indice de réfraction
1
1,33
1,5
1,6
2,42
Vitesse de la lumière (km/s)
299710,636
225000
200000
188000
124000
2.1.7 - Longueur d'onde.
c
0 = =c.T

Dans le vide:
ν : fréquence (Hz)
T : période (s)
λ0 : Longueur d'onde dans le vide (m)
c : vitesse de la lumière dans le vide (m/s)
v
i = =v.T
Dans un milieu transparent :
ν : fréquence (Hz)
T : période (s) V : vitesse de la lumière dans le milieu transparent (m/s)
λi : Longueur d'onde dans le milieu transparent (m)
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2.2- Le phénomène de diffraction
Le phénomène de diffraction s’accompagne de modifications de la direction de propagation et de l’intensité lumineuse ne
pouvant s’interpréter ni par la réflexion, ni par la réfraction.
Le faisceau de lumière diffracté par une ouverture de dimension caractéristique a petite, traversée par une onde plane
monochromatique, est défini par l’écart angulaire θ qu’il présente avec la direction moyenne de propagation. Cet écart
angulaire est proportionnel à la longueur d’onde λ et inversement proportionnel à la largeur a de la fente :
 = a
λ et a sont en m et θ en rad
2.3- Les différentes ondes électromagnétiques
o On classe cependant les ondes électromagnétiques en différentes catégories à cause de leur mode de production.
0,1 pm
100 pm
10 nm
0,1 mm
→
10-13
10-10
10-8
10-4
λ (m)
Rayons
cosmiques
Rayons γ
noyaux
atomiques
Rayons X
atomes
(couches
internes)
UV
atomes ou
molécules
Visible
lumière
visible
IR
corps
chauds
Ondes
hertziennes
antennes
La longueur d'onde de la lumière visible est comprise entre 400 nm et 800 nm dans le vide.
o Comme il s'agit d'ondes, on peut réaliser avec celles-ci des expériences de réflexion, de réfraction, de diffraction et
d'interférences.
3 - LA LUMIERE BLANCHE
3.1- Spectre lumineux.
Expérience du prisme ou du réseau.
Spectre lumineux de la lumière blanche.
Une lumière blanche est la superposition de toutes les radiations lumineuses contrairement au spectre de lumière d'une lampe à
vapeur de mercure ou du spectre de lumière du laser.
La lumière émise par le Laser est monochromatique (une seule couleur).
3.2- La dispersion
Les milieux transparents autres que le vide sont dispersifs. La célérité de l’onde lumineuse dépend de sa fréquence
Cela implique, par exemple, que l'indice de réfraction d'un verre dépend de la longueur d'onde. Le violet est plus dévié que le
rouge.
D'après la formule de CAUCHY : on a l'indice de réfraction d'un milieu en fonction de la longueur d'onde selon :
n  A  B2

et A et B dépendent du matériau
3
Pour l ' eau : n  1, 3242  3, 03482.10
