Physique La diffraction de la lumière  Chap.18

(1)

09/01/21 TP14_Diffraction.docx 1/3

NOM : ... Prénom : ... Classe : …..

T

^ale

Spé

^{Thème :} ^{TP n°14}

Physique La diffraction de la lumière  Chap.18

 But du TP : Etudier le phénomène de diffraction dans le cas d’une onde lumineuse diffractée par une fente rectangulaire.

I. Etude qualitative

Document 1 : Phénomène de diffraction.

 Lorsqu’une onde de longueur d’onde λ rencontre un obstacle, elle peut être déviée d’un angle θ sous certaines conditions.

 Ce phénomène est caractéristique pour toute sorte d’onde et permet de déterminer la taille a d’objet très petit (cheveu, trou d’un tamis, fil de suture, maille atomique…).

 La diffraction est alors définie par l’écart angulaire θ =

a λ avec

 θ : Ecart angulaire (en radian) avec π rad = 180° ;

 λ : Longueur d’onde (en m) ;

 a : Taille caractéristique de l’obstacle (en m).

Document 2 : Matériel.

 Source Laser : La lumière monochromatique (λ = 650 nm) très concentrée présente un danger de brûlure de la rétine.

 Banc optique gradué et règle dont l’incertitude absolue vaut u = 6 graduation 1

 Diapositive avec sept fentes calibrées (attention à l’ordre) : a = 40 à 400 µm ± 5 %.

Protocole expérimental (Réaliser)

1) Réaliser le montage du doc.1 en plaçant la diapositive percée de fentes sur le chemin optique du faisceau lumineux.

2) Observer la figure de diffraction en déplaçant la source laser, la diapositive, l’ordre et l’orientation des fentes...

Exploitation (Analyser)

3) Comment s’étale la figure de diffraction selon l’orientation des fentes ?

4) Parmi les trois grandeurs d, D et a, lesquelles ont une influence sur l’étalement de la figure de diffraction ? 5) Justifier que l’écart angulaire θ varie en raison inverse d’une de ces grandeurs.

6) Où faut-il placer l’écran pour obtenir le maximum de précision sur la mesure de la taille L de la tache centrale de diffraction ?

II. Etude quantitative

Protocole expérimental (Réaliser)

 On souhaite vérifier la valeur de la longueur d’onde de la source Laser en utilisant le phénomène de diffraction.

 Placer l’écran à une distance D fixe de la diapositive.

 Avec le plus de précision, mesurer la taille L de la tache de diffraction pour chaque fente et consigner les valeurs dans le tableau.

a (en µm) 40 80 100 150 200 300 400

L (en mm)

 Sous Regressi, entrer les variables expérimentales a et L dans leur unité légale.

(2)

Exploitation (Analyser-Réaliser)

1) À l’aide du schéma du doc.1, montrer que l’écart angulaire θ vérifie l’égalité tan(θ) =

D L 2

.

2) Faire calculer la valeur de θ sachant que pour de petits angles (θ < 20°) on peut faire l’approximation tan(θ) ≈ θ avec θ en radian. Cette approximation est-elle vérifiée ici ?

3) En déduire la relation liant les grandeurs L, D, λ et a.

4) Proposer un protocole expérimental pour déterminer la valeur de la longueur d’onde λ de la source Laser.

 Faire vérifier le protocole par le professeur, puis le mettre en œuvre. 

Incertitude (Analyser-Valider)

5) Déterminer l’incertitude absolue sur la longueur d’onde u(λ) = λ× ⁽ ⁾ ² ₊ ⁽ ⁾ ² ₊ ⁽ ⁾_²



 



 



 



 



 





D D u a

a u L

L

u .

6) En déduire si le résultat de la mesure est en accord avec la valeur de référence sachant que

λ) (

λ λ_mes _Réf

u

 doit être inférieur à 1.

Problème (Raisonner-Réaliser)

7) À l’aide du même matériel, élaborer une démarche expérimentale pour déterminer la taille a d’un de vos cheveux.

 Faire vérifier le protocole par le professeur, puis le mettre en œuvre. 

Programmation (Réaliser-Valider)

 Un programme informatique permet de déterminer l’incertitude sur la valeur de a.

 Ouvrir le logiciel EduPython et charger le fichier Incertitude.py présent dans les documents de votre classe (PC).

 Modifier le programme en indiquant :

 Les valeurs de chaque grandeur mesurée et de leur incertitude absolue ;

 L’expression pour calculer la valeur de a.

 Exécuter le programme.

8) Conclure en expliquant quelle grandeur apporte le plus d’imprécision sur la mesure.

III. Applications 1. Radar

 Les ondes d’un nouveau système émetteur-récepteur se diffractent au contact d’îles ou d’embarcations pour rendre compte de ce qui se passe derrière.

 Quelque part dans le détroit de Malacca, qui sépare la presqu’île malaise de l’île de Sumatra, on expérimente un nouveau type de radar de détection maritime. Il s’agit d’un émetteur-récepteur dit à ondes de surface qui présente la particularité de ne pas se réfléchir sur les obstacles se trouvant sur son trajet de propagation, et de tout simplement les contourner.

 On sait en effet que les ondes émises sur des

fréquences entre 3 et 30 MHz ont la faculté de se diffracter au contact des obstacles qu’elles rencontrent. Ce phénomène, matérialisé par un changement de direction du faisceau, permet de voir derrière un obstacle.

 La diffraction d’un faisceau sur un obstacle intervient lorsque les longueurs d’ondes utilisées sont de même ordre de grandeur (dans un rapport de 1 à 10) que la taille de l’obstacle rencontré. Ainsi un supertanker de longueur 100 m illuminé par bâbord ne laisse subsister aucune zone d’ombre par tribord dès lors que la longueur d’ondes de travail du radar oscille autour de 30 mètres.

(3)

 Toute embarcation évoluant derrière le bâtiment se trouve donc immédiatement détecté. Même aptitude à la détection derrière une île ou un piton rocheux d’une centaine de mètres. Quant à la portée du radar, elle oscille entre 30 et 200 km.

 Le choix du détroit de Malacca s’explique par le fait que les pirates qui pullulent dans cette région mettent à profit la multitude d’îles et l’important trafic de gros navires pour se dissimuler.

Sciences et Avenir

2. Cristallographie

 La diffraction des rayons X est utilisée en cristallographie pour analyser la structure de la matière.

 Un cristal de la molécule est soumis à un faisceau monochromatique dont la longueur d’onde varie de 1 pm à 10 nm. La figure de diffraction observée pour différentes positions du cristal permet de déterminer sa structure (arrangement des atomes et distance entre eux), puis de la molécule. C’est notamment par radiocristallographie que R.Franklin, puis James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins et leurs collaborateurs ont pu déterminer la structure hélicoïdale de l’ADN en 1953.

Principe de la cristallographie par RX d’un cristal de NaCℓ

Sujet de Licence de physique

Exploitation (Analyser-Communiquer)

9) Expliquer le choix du domaine des rayonnements utilisés dans chaque cas.

Élèves : Bureau :

Ordinateur + Regressi Banc optique gradué

Diapositive avec sept fentes calibrées 40 à 400 µm + support Diapositive trouée pour placer un cheveu + scotch

Ecran sur support + papier blanc scotché Laser rouge

Réglet 20 cm

Scotch

Fichier Python « Incertitudes »

 Fichier Python : Supprimer les valeurs de D, L, λ, u(λ) et le calcul de a.