TP 2 : ondes lumineuses

TP 2 : ONDES LUMINEUSES

  Une onde est une propagation d’une perturbation sans transport de matière mais avec transport d’énergie. Il existe trois principaux types d’ondes : les ondes mécaniques, les ondes électromagnétiques et les ondes gravitationnelles.

  Au cours de ce TP, nous allons étudier les ondes lumineuses qui sont des ondes électromagnétiques visibles, dont la longueur d’onde est comprise entre 400 et 780 nm. Elles comportent à la fois un champ électrique et un champ magnétique oscillant à la même fréquence. Ces deux champs, perpendiculaires l’un par rapport à l’autre se propagent dans un milieu selon une direction orthogonale. La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu considéré. Dans le vide, la vitesse de propagation est égale à 3.10^8 m.s-1.

Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par plusieurs grandeurs physiques :

•  La période temporelle (t) : elle représente le temps nécessaire pour que l’onde effectue un cycle.
• La fréquence (f) : inverse de la période, elle traduit le nombre de cycles par unité de temps. Elle est exprimée en hertz (Hz).
• La période spatiale ou longueur d’ondes (λ) : elle exprime le caractère oscillatoire périodique de l’onde dans l’espace. Elle est exprimée en mètre (m).

Ce TP a pour but d'’étudier la diffraction d’une source lumineuse (diode laser) et d’analyser les spectres d’émission de différentes lampes. Pour cela, nous avons réalisé plusieurs expériences.

  A) ÉTUDE DE LA DIFFRACTION  

 a) étude qualitative de la diffraction par une fente réglable

  En faisant passer la lumière à travers unique fente, on observe des interférences sur l'écran. Le faisceau s’élargit horizontalement et on observe une tâche rouge allongée encadrée de taches plus petites de moins en moins lumineuses et séparées entre elles par des zones sombres Ces interférences présentent une alternance de franges lumineuses et de franges sombre. Les franges sombres correspondent au minima d'énergie. La grande tâche lumineuse au centre est la tâche centrale.

   Lorsque la largeur de la fente (a) augmente, la taille de la tâche diminue. Et réciproquement la taille de la tâche augmente en diminuant la largeur de la fente.

  Lorsque l’on augmente la distance (L) entre l'écran et la fente (a), la taille de la tâche augmente. Et réciproquement lorsque l'on diminue la distance, la taille de la tâche diminue aussi.

   Nous pouvons justifier ces observations avec la démarche suivante :[pic 3]

En tournant la fente, on remarque que les interférences ne sont pas dans le même sens que la fente. En effet, l’image obtenue par la diffraction est perpendiculaire à la fente.

b) expérience des fentes d’Young

Dans cette expérience, nous utilisons les fentes dites d’Young. Ce sont des bi-fentes.[pic 4]

  Lors de cette expérience on observe une figure de diffraction, sous forme d’un disque, due à la dimension des trous. De plus, on observe une alternance de ranges sombres et brillantes.

  Les tâche sombres et des tâches lumineuses sont présentent à cause des zones de superposition. Ceci est dû à la présence de deux fentes, qui forment deux ondes S1 et S2 perpendiculaire. Ce sont des franges d’interférences. La distance entre deux franges lumineuses consécutives est constante.

  Les deux ondes arrivent en même temps sur l’écran. Cependant, cela créer des superpositions des deux ondes, qui créent, par la suite, deux types d'interférence : les interférences destructives et les interférences constructives.

Les interférences constructives sont en phase. Les ondes s’additionnent et forment les franges lumineuses.

Les interférences destructives sont en opposition de phase. Les ondes s’annulent et forment les franges sombres.

Ensuite, nous avons utilisé une diapositive qui contenaient 600 fentes par millimètre (réseau de fente). On observe un grand écart entre les deux tâches. On peut dire que plus le nombre de fente par millimètre augmente, plus l'écart entre les tâches augmente.

c) Étude quantitative de la diffraction avec un capteur CCD et un ordinateur : détermination de la longueur d’onde au laser  

  Dans cette expérience, on utilise un capteur réglable relié à l'ordinateur. Avec ce capteur (forme de camera) et d’un logiciel “Caliens”, nous pouvons observer le spectre d'absorption du laser.

  On observe la figure du spectre d'absorption du laser. Au centre de la figure, nous avons un grand pic qui correspond à la tâche centrale, suivie de pics qui deviennent de plus en plus petits. En abscisse on représente l'angle de diffraction, sinteta, et en ordonnée on représente l'intensité.

[pic 5]

Sin(θ) est aussi noté Xn, qui est la distance entre franges sombres. On obtient Xn en prenant la valeur des minima d’énergie sur la figure de diffraction obtenue pour le laser.