23/10/2013 P03_Interferences_et_effet_Doppler.doc 1/2 doc.2 Dispositif expérimental interférentiel
TS Thème : Observer TP n°7
Physique Les interférences lumineuses et l'effet Doppler Chap.3
But du TP : Etudier le phénomène d’interférences lumineuses. Calculer une vitesse par effet Doppler.
I. Les interférences lumineuses
Au début du XIXe siècle, le physicien britannique Thomas YOUNG (doc.1) réalise une expérience qui a marqué l’Histoire des sciences. En plaçant devant une source lumineuse un cache percé de deux fentes fines parallèles et proches, il observe, en projection sur un écran, une alternance de raies sombres et brillantes : les franges d’interférences.
1. Protocole expérimental
Réaliser le montage du doc.2, où les fentes d’Young sont deux fentes étroites et parallèles.
Placer l’écran à une distance D maintenue fixe d’environ 2,0 m des fentes.
1.1. Pour différentes distances a, mesurer avec la plus grande précision l’interfrange i, qui est la distance séparant deux franges consécutives d’égale intensité lumineuse.
1.2. Consigner les valeurs dans un tableau sur votre feuille et dans Regressi.
2. Exploitation
Ouvrir le logiciel Regressi, puis entrer les valeurs expérimentales a et i dans leur unité légale.
La valeur de l’interfrange i peut se calculer l’expression suivante : i = D a
2.1. En traçant le graphique approprié, montrer que l’interfrange i est inversement proportionnel à la distance a.
Imprimer la courbe i = f(1/a) avec sa modélisation après accord du professeur.
2.2. A partir de la modélisation de la courbe précédente, calculer la valeur de la longueur d’onde λ du Laser.
Conclure.
2.3. Eclairer l’écran avec deux lasers identiques. Pourquoi n’observe-t-on pas la même figure d’interférence que précédemment ?
2.4. Comment serait modifiée la figure d’interférences si on éclairait les mêmes fentes d’Young avec un Laser vert ?
2.5. Quel est l’intérêt d’utiliser une grande distance D ? 3. Application au réseau
Données : λ = 650 nm ± 10 nm
Un réseau (doc.3) est constitué d’un support transparent sur lequel ont été gravés des traits parallèles équidistants. Le "pas" du réseau, noté a, correspond à la distance séparant deux traits consécutifs.
Ces traits parallèles se comportent comme des fentes, qui, lorsqu’elles sont éclairées, donnent une figure d’interférences.
3.1. Proposer un protocole expérimental afin de déterminer le pas de ce réseau.
3.2. Après accord du professeur, le mettre en œuvre et déterminer la valeur du pas a.
3.3. Déterminer l’incertitude absolue sur i et D, notée respectivement Δi et ΔD.
3.4. L’incertitude absolue sur a se calcule par la relation Δa = a × 2 + i i
2
+ D D
2
. Calculer sa valeur.
3.5. En déduire un encadrement de la valeur expérimentale a du pas du réseau. Est-ce en accord avec la valeur indiquée par le fabricant ?
doc.1 Young en 1801
doc.3 Réseau de 530 traits/mm
23/10/2013 P03_Interferences_et_effet_Doppler.doc 2/2
II. L’effet Doppler
En 1842, le physicien autrichien Christian Doppler (doc.4) prédit le comportement des ondes sonores selon que leur source s’approche ou s’éloigne d’un observateur. Trois ans plus tard, l’expérience suivante confirma son hypothèse :
Un train entra en gare, avec à son bord, 15 trompettistes qui firent retentir leur trompette ; Sur le quai, les observateurs entendirent le son des instruments dont la hauteur augmenta progressivement, puis diminua une fois le train passé, tout comme l’avait prédit Doppler.
Cet effet Doppler (aussi appelé effet Doppler-Fizeau pour les ondes électromagnétiques) s’appliquent également à toutes sortes d’ondes ; Il permet de déterminer la vitesse d’une source en mouvement et est utilisé en astronomie, par les radars, en médecine...
Etudions le cas du son émis par le klaxon d’une voiture roulant aux alentours de 70 km.h-1 et dont la fréquence des ondes sonores vaut f = 508 Hz.
1. Protocole expérimental
Dans vos documents en consultation, rechercher le fichier Son Doppler et l’écouter.
1.1. Quelle différence y a-t-il entre la fréquence du son reçu lorsque la voiture s’approche et lorsqu’elle s’éloigne ?
Sous Regressi, ouvrir ce fichier son.
Cliquer sur l’icône Fourrier pour obtenir l’analyse spectrale de l’enregistrement.
Visualiser son évolution temporelle (voir ci-dessous) en cliquant sur l’icône Temps
Premier cas : La voiture s’approche.
Dans la fenêtre du haut, sélectionner la phase d’approche.
Dans la fenêtre du bas, zoomer (loupe/cliquer-glisser) sur les quatre pics 1, 2, 3 et 4 correspondant au spectre du klaxon.
Avec l’outil Curseur / Réticule, mesurer la fréquence fondamentale f1 et les fréquences des harmoniques 2, 3 et 4.
1.2. Consigner les valeurs dans un tableau.
Deuxième cas : La voiture s’éloigne.
De la même manière, mesurer la fréquence fondamentale f1 et les fréquences des harmoniques 2, 3 et 4 d’éloignement.
Sous Regressi, entrer les valeurs expérimentales fa et fe , ainsi que le paramètre expérimental vson. Dans les conditions expérimentales, on prendra vson = 340 m/s
1.3. Faire calculer la valeur de la vitesse vexp de la voiture en appliquant la formule de Doppler : vexp = v(son) (fa - fe)
(fa + fe). 2. Exploitation
En comparant les deux fréquences fondamentales avec la fréquence propre du klaxon, justifier : 2.1. Que la fréquence du son reçu n’est pas la même que celle du son émis ;
2.2. La réponse à la question 1.1.
2.3. Calculer la valeur moyenne de cette vitesse, puis la convertir en km/h.
2.4. Calculer le pourcentage d’erreur relative :
théo théo exp-
v v
v ×100. Conclure.
2.5. Bonus : Si le conducteur roule en agglomération, est-il en excès de vitesse ? Si oui, quel sera le nombre de points enlevés sur son permis ?
doc.4 Doppler en 1842
