Interféromètre de Michelson

Interféromètre de Michelson

Les points du cours à connaître

I- L'interféromètre de Michelson éclairé par un laser NeNe

Caractéristiques de l'interféromètre de Michelson

Une lame séparatrice permet d'avoir des intensités identiques sur les deux bras de l'interféro- mètre, et ainsi un contraste maximum (égal à 1).

Une lame compensatrice permet de compenser la diérence de marche introduite par la lame séparatrice et ainsi de symétriser les deux bras de l'interféromètre.

Interféromètre de Michelson éclairé par un laser

Eclairé par un laser, l'interféromètre de Michelson est un interféromètre à division du front d'onde : les interférences sont non localisées.

Les franges sont circulaires ou rectilignes ou tout état intermédiaire entre les deux.

II- L'interféromètre de Michelson éclairé par une source large

1. L'interféromètre de Michelson utilisé en coin d'air

Localisation des interférences pour l'interféromètre de Michelson éclairé par une source large réglé en coin d'air

L'interféromètre de Michelson éclairé par une source large est un interféromètre à division d'amplitude. Les interférences sont donc localisées.

Dans le cas où le michelson est utilisé en coin d'air, les rayons semblent provenir de la proximité du coin d'air : on dit que les interférences sont localisées sur le coin d'air. Pour mieux les voir, on forme l'image de ce coin d'air (c'est à dire en gros des miroirs) sur un écran grâce à une lentille convergente.

Diérence de marche en coin d'air

On repère la position sur le coin d'air avec l'abscisse xcomptée à partir de l'arête du coin d'air.

Si ce coin d'air fait un angle α (faible), l'écart entre les deux miroirs en x est e(x) = α.|x|. On visualise le coin d'air avec une lentille convergente, le montage ayant un grandissement γ. La diérence de marche vaut ∆ = 2.e(x) = 2.α.x. L'interfrange observé sur l'écran est donc i=γ_2.α^λ .

Forme des franges en coin d'air

Les franges créées par l'interféromètre de Michelson en coin d'air sont rectilignes ("franges d'égale épaisseur"), parallèles à l'arête du coin d'air. Elles sont d'autant plus rapprochées que l'angle du coin d'air est plus grand.

2. L'interféromètre de Michelson utilisé en lame d'air

Localisation des interférences pour un interféromètre de Michelson réglé en lame d'air eclairé par une source large

L'interféromètre de Michelson éclairé par une source large est un interféromètre à division d'amplitude. Les interférences sont donc localisées. Dans le cas où le michelson est utilisé en lame d'air à faces parallèles, les rayons semblent provenir de l'inni : on dit que les interférences sont localisées à l'inni. Pour mieux les voir, on forme l'image de l'inni sur un écran grâce à une lentille convergente (c'est à dire qu'on observe les franges dans son plan focal).

Diérence de marche en lame d'air

La diérence de marche vaut ∆ = 2.e.cosθ = 2.e

1−^θ₂²

où θ = _f^r0 est l'angle que font les rayons qui vont interférer avec l'axe optique.

Forme des franges en lame d'air

Les franges créées par l'interféromètre de Michelson réglé en lame d'air sont circulaires ("franges d'égale inclinaison"), de centre le foyer image de la lentille.

Contact optique

Le contact optique de l'interféromètre de Michelson correspond au cas où les deux miroirs sont superposés. On visualise alors une "teinte plate".

III- Applications de l'interféromètre de Michelson

Spectre cannelé

L'ordre d'interférence p(M) = ^δ(M_λ ⁾ dépend de la longueur d'onde λ. Aussi, en un endroit M donné du plan d'observation, l'interférence peut elle être constructive pour certaines longueurs d'ondes et destructives pour d'autres.

Le spectre de la lumière enM possède des cannelures, endroits sombres du spectre pour lesquels il y a interférence destructive.

La présence de certaines couleurs et l'absence d'autres couleurs dans le spectre enM donne un aspect coloré à la frange en M.

Blanc d'ordre supérieur

Dans le cas où le spectre cannelé de la lumière en M présente de très nombreuses cannelures, aucune couleur n'est discernée par l'÷il.

Il s'agit d'un blanc dont le spectre n'est pas celui de la lumière blanche : on parle de "blanc d'ordre supérieur".

Comme aucune frange n'est visible, les interférences sont brouillées.

Exercice traité en n de cours

Couche anti-reet

En vue de constituer une couche antireets dans le visible (on prendra λ0 = 550 nm), on dépose sur un verre d'indice n0 = 1,7 une lame d'épaisseur e et d'indice n1 = 1,3. On admet qu'ainsi, les ondes rééchies respectivement sur les dioptres air-couche antireet et couche antireet-verre ont même intensitéI0.

1) Que doit vérier een fonction deλ0 et n pour que, sous incidence normale θ= 0, la lumière rééchie soit totalement supprimée ?

2) Quelle est alors la fraction de lumière rééchie pour les longueurs d'ondes 2.a) λ1= 400 nm?

2.b) etλ2= 750 nm?

Techniques à maîtriser

I- Michelson en lame d'air

Décrire et mettre en ÷uvre les conditions d'éclairage et d'observation en lame d'air.

Établir et utiliser l'expression de l'ordre d'interférence en fonction de l'épaisseur de la lame, l'angle d'incidence et la longueur d'onde.

ce qu'il faut savoir faire ^capacités

Si le michelson est en lame à faces parallèles, les interférences sont localisées à l'inni (dans le plan focal image d'une lentille convergente), les franges sont circulaires et la diérence de marche vaut∆ = 2ecosθ, oùθ est l'angle du rayon par rapport à l'axe optique.

L'éclairage doit être convergent pour avoir le plus possible d'angles d'incidence.

Michelson réglé en lame d'air^méthode

1.1) Nombre d'anneaux visibles avec le michelson en miroirs parallèles

On s'intéresse à un michelson réglé en miroirs parallèles, la distance entre les deux miroirs étante. On observe les interférences créées par une lampe monochromatique (de longueur d'ondeλ) dans le plan focal image d'une lentille (de focalef⁰).

1) Questions préliminaires :

1.a) Exprimer la diérence de marche∆en fonction deθ.

1.b) Les conditions de Gauss étant vériées, donner une expression approchée de∆ grâce à un déve- loppement limité au premier ordre non nul enθ.

1.c) Relier la distancerau foyer imageF⁰ de cette lentille à l'inclinaisonθdes rayons avec l'axe optique avant la lentille.

1.d) En déduire l'intensité lumineuseI en un pointM situé à une distancerdu foyer image F⁰. 2) Etude des anneaux :

2.a) Montrer que le rayon de l'anneau correspondant à l'ordre d'interférencepest de la forme r_p=f⁰.p

a−b.p On exprimera en particulieraet b.

2.b) En notantE(x), la fonction partie entière de x, exprimer n(e), le nombre d'anneaux visibles en fonction dee,λet θ_max, l'angle d'incidence maximum.

2.c) Que se passe-t-il à la teine plate ? Comment évoluen(e)quand on s'éloigne de la teinte plate ?

r_p=f⁰.√

a−b.paveca= 2et b= ^λ_e etn(e) =E_θ2 max

λ |e|

.

1.2) Passage du coin d'air aux miroirs parallèles

1) On s'intéresse à un michelson (dont les miroirs ont un diamètred= 4,0cm) réglé en coin d'air. On observe les franges d'égale épaisseur sur un écran conjugué du coin d'air par une lentille convergente. On prendra pour longueur d'onde moyenne :λ= 600nm.

1.a) Rappeler la valeur de l'interfrangeisur le coin d'air en fonction de l'angle du coin d'airαet deλ. Au cours du réglage du Michelson en lame d'air à faces parallèles, on passe par une étape où on agrandit les franges du coin d'air jusqu'à n'en obtenir plus qu'une seule.

1.b) Donner alors un ordre de grandeur de l'angleαdu coin d'air (en secondes d'arc).

α= 7,5.10⁻⁶rad= 1,5”.

1.3) Michelson en miroirs parallèles

On utilise un interféromètre de Michelson en lame d'air à faces parallèles. On dispose de deux lentilles convergentes de focale20cmet 100cm.

1) On désire observer les anneaux sur un écran :

1.a) Où faut-il placer l'écran par rapport à la lentille convergente ? 1.b) Laquelle choisir pour une observation la meilleure possible ?

cf. cours !

1.4) Cohérence spatiale en lame d'air

1) Montrer que dans un interféromètre de Michelson réglé en lame d'air, la source est intrinsèquement cohérente spatialement.

La diérence de marche ne dépend que deθ, l'angle du rayon d'observation avec l'axe optique.

1.5) Cohérence spatiale en lame d'air

On s'intéresse aux deux miroirs parallèles distants dee, le premier miroir traversé par la lumière rééchissent une partie de celle-ci, et laissant passer l'autre partie. On repère la position sur l'écran à partir du foyerF⁰ avec le rayon r. Si la focale de la lentille estf⁰, θ= _f^r0 est l'angle que font les rayons qui vont interférer avec l'axe optique. Montrer que la diérence de marche enrvaut∆ = 2.e.cosθ.

∆ = 2.e.cosθ= 2.e

1−^θ₂² .

II- Michelson en coin d'air

Décrire et mettre en ÷uvre les conditions d'éclairage et d'observation en coin d'air.

Admettre et utiliser l'expression de la diérence de marche en fonction de l'épaisseur pour exprimer l'ordre d'interférences.

Analyser un objet (miroir déformé, lame de phase introduite sur un des trajets, etc...).

ce qu'il faut savoir faire ^capacités

Si le michelson est en coin d'air, les interférences sont localisées sur le coin d'air, les franges sont rectilignes et la diérence de marche vaut deux fois l'écart entre les miroirs.

L'éclairage doit être peu convergent pour éclairer la totalité des miroirs.

Michelson réglé en coin d'air méthode

2.1) Bulle de savon

On s'intéresse à une bulle de savon qui otte dans l'air, qu'on assimilera à une pellicule d'eau savonneuse d'épaisseure, et d'indice n = 1,33. Elle est éclairée perpendiculairement par un faisceau de lumière blanche, dont on observe la réexion.

1) Calculs généraux :

1.a) Exprimer la diérence de phase entre les deux rayons rééchis.

1.b) En déduire une condition pour qu'il y ait interférence constructive surλ,net e.

1.c) Faire de même pour qu'il y ait interférence destructive.

2) Applications :

On observe des interférences constructives pour λ₁ = 600nm et des interférences destructives pour λ₂ = 450nm. On n'observe pas de minimum d'intensité entre ces deux valeurs.

2.a) En déduire son épaisseuresupposée uniforme.

Sous l'eet de la gravité, l'eau savonneuse s'écoule et le lm s'amincit, au sommet de la bulle en premier.

2.b) Quelle est la couleur au sommet de la bulle juste avant qu'elle n'éclate ?

e= 338nm.

2.2) Michelson en coin d'air

On s'intéresse à un interféromètre de Michelson réglé en coin d'air, l'angle entre les deux miroirs étant θ. On observe les interférences créées par une lampe monochromatique large (de longueur d'ondeλ) grâce à une lentille convergente de focalef⁰ placée à une distancel₁ des miroirs.

1) Comment éclairer les miroirs ? 2) Localisation des interférences :

2.a) Les interférences sont-elles localisées ? 2.b) Où ?

2.c) Où les observe-t-on grâce à la lentille (on donnera la distance l2 entre la lentille et le plan d'observation) ?

2.d) Quel est alors le grandissement du montageγ en fonction def⁰ etl1? 3) Franges d'interférences :

3.a) Quelle est la forme des franges ?

3.b) Que vaut l'interfrange sur l'écran d'observationien fonction deλ,θ, f⁰ etl1? 3.c) Que se passe-t-il si les miroirs sont parallèles ?

i= _l^f0

1−f⁰ λ 2.θ.

2.3) Angle maximal d'un coin d'air

1) On s'intéresse à un michelson réglé en coin d'air dont on observe les franges d'égale épaisseur sur un écran conjugué du coin d'air par une lentille convergente. On prendra pour longueur d'onde moyenne :λ= 600nm.

1.a) Rappeler la valeur de l'interfrangei sur le coin d'air en fonction de l'angle du coin d'airαet de λ.

1.b) En déduire la valeur de l'interfrangei⁰ sur l'écran en fonction deα, deλet du grandissementγ du montage.

2) Les miroirs au Michelson ont un diamètre de 2cmet sur l'écran, on observe les franges dans une tache lumineuse circulaire de14cmde diamètre. Calculer le grandissementγdu montage.

3) Connaissant le pouvoir séparateur linéique de l'÷il (0,1mm), calculer l'angle maximalα_min(en minutes d'arc) que doit faire le coin d'air pour qu'on puisse eectivement discerner les franges sur l'écran.

α < αmin= 2,1.10⁻²rad= 72⁰.

III- Interférences en lumière polychromatique

Mesurer l'écart∆λd'un doublet et la longueur de cohérence d'une radiation.

Interpréter les observations en lumière blanche pour un interféromètre de Michelson utilisé en lame d'air et en coin d'air.

En lumière blanche, utiliser l'additivité des intensités et déterminer les longueurs d'ondes des cannelures.

ce qu'il faut savoir faire capacités

Il s'agit d'appliquer la formule de Fresnel pour chacune des longueurs d'ondes

I(λ) =I1+I2+ 2p

I1.I2.cos 2π

λ ∆ +ϕsup

puis de sommer l'intensité relative à chaque longueur d'onde : soit de façon discrète si le spectre est discret :I=

N

P

k=1

I(λk), soit de façon continue si le spectre est continu :I=Rλmin

λ_min I(λ)dλ.

Le brouillage du fait de l'élargissement spectral intervient si la diérence d'ordre d'interférence est

|∆p|>1/2. On parle alors de "blanc d'ordre supérieur".

Il y a une cannelure dans le spectre à la longueur d'ondeλs'il y a interférence destructive pourλ.

Interféromètre éclairé en lumière polychromatique méthode

3.1) Doublet du sodium

On réalise des interférences (la diérence de marche est δ) avec comme éclairage une lampe à vapeur de sodium, qui a deux raies très proches et de même intensité (λ1= 589,6nmetλ2= 589,0nm).

1) Calculer numériquement σ1=_λ¹

1,σ2=_λ¹

2,σ= ^σ1+σ₂ ² et ∆σ=|σ1−σ2|. 2) Exprimer l'intensité résultant de l'interférence en fonction de σet∆σ. 3) Donner les valeurs de δpour lesquelles il y a brouillage des interférences.

4) En déduire la période∆δdes battements. Application numérique.

∆δ= 0,579mm.

3.2) Brouillage des interférences avec une lampe au sodium

Un dispositif interférentiel à division du front d'onde est équivalent à des fentes d'young éloignées de a= 4,0mm. On observe les interférences sur un écran à une distanceD= 1,0mde ces fentes. La lumière est obtenue à l'aide d'une lampe à vapeur de sodium de longueurs d'ondeλ1= 589,0nmet λ2= 589,6nm.

1) Exprimer l'interfrange ik pour la longueur d'ondek, en déduire numériquement 1.a) l'interfrange moyeni

1.b) et l'écart entre les interfrangesi₂−i₁.

2) En déduire la distancel de la frange centrale pour laquelle il y a brouillage des interférences.

l= 72mm.

Les techniques mathématiques à connaître

Position du problème physique

On s'intéresse à l'interférence de plusieurs ondes d'amplitudes :

• a1(t) =a1cos (ω t+ϕ1),

• a₂(t) =a₂cos (ω t+ϕ₂), etc...

Utilisation des formules de trigonométrie

Pour calculer l'intensité I=h(a1cos (ω t+ϕ1) +a2 cos (ω t+ϕ2) +...)²i, on peut utiliser des for- mules trigonométriques

• de sommes et diérences de cosinus et sinus :

cosα+ cosβ = 2 cos

α+β 2

cos

α−β 2

cosα−cosβ =−2 sin

α+β 2

sin

α−β 2

sinα±sinβ = 2 sin

α±β 2

cos

α∓β 2

• de produits de cosinus et sinus :

cosθcosϕ=cos (θ−ϕ) + cos (θ+ϕ) 2

sinθsinϕ= cos (θ−ϕ)−cos (θ+ϕ) 2

sinθcosϕ= sin (θ−ϕ) + sin (θ+ϕ) 2

• de carrés de sinus et cosinus :

sin²α+ cos²α= 1

cos (2α) = cos²(α)−sin²(α) = 1−2.sin²(α) = 2.cos²(α)−1 sin (2α) = 2.sin (α).cos (α)

Utilisation des complexes :

On a vu que sis₁(t) = Re (˜s₁)et s₂(t) = Re (˜s₂), alorshs1s₂iτ = ¹₂Re (˜s₁˜s^?₂), où ˜s^?₂ est le complexe conjugué des˜₂. Aussi, on peut utiliser les complexes associés aux ondes :

• a₁(t) = Re (˜a₁), avec˜a₁=a₁e^{j ϕ1}e^{j ω t},

• a₂(t) = Re (˜a₂), avec˜a₂=a₂e^{j ϕ2}e^{j ω t}, etc...

pour calculer l'intensité : I=¹₂|˜a₁+ ˜a₂+...|² . Utilisation des vecteurs de Fresnel

On peut utiliser des vecteurs tournants (de Fresnel) :

• ~a₁ associé àa₁ cos (ω t+ϕ₁)de normea₁ et d'argumentω t+ ϕ₁,

• ~a₂ associé àa₂ cos (ω t+ϕ₂)de normea₂ et d'argumentω t+ ϕ₂, etc...

Le vecteur ~a₁ + ~a₂ + ... permet de calculer l'intensité : I=k~a1+~a2+...k² .

~ a1

~a₂

~a₁+~a₂

~a2

ω t+ϕ₁ ω t+ϕ2

Moyennes d'un carré d'une somme de sinusméthode

4.1) Démonstration de la formule de Fresnel grâce aux vecteurs de Fresnel 1) Calculer l'intensité dans le cas de deux ondes d'amplitudes respectives :

• a1(t) =a1 cos (ω t+ϕ1),

• a2(t) =a2 cos (ω t+ϕ2),

en utilisant les vecteurs de Fresnel associés.

Pour simplier, on se place àt= ^−ϕ_ω¹ :~a1associé àa1 cos (ω t+ϕ1)de normea1et d'argumentω t+ϕ1= 0 et~a2associé àa2 cos (ω t+ϕ2)de normea2 et d'argumentω t+ϕ2=ϕ2−ϕ1.

4.2) Démonstration des formules de trigonométrie sur les produits de cosinus et sinus

1) Utiliser les formules de trigonométrie concernant les sommes et diérences de cosinus et sinus pour démontrer les formules sur les produits de cosinus et sinus :

1.a) cosθcosϕ=cos(θ−ϕ)+cos(θ+ϕ)

2 ,

1.b) sinθ sinϕ= cos(θ−ϕ)−cos(θ+ϕ)

2 ,

1.c) sinθ cosϕ= sin(θ−ϕ)+sin(θ+ϕ)

2 .

On pose ^α+β₂ =θ et ^α−β₂ =ϕ, soitα=θ+ϕet β=θ−ϕ.

4.3) Démonstration de la formule de Fresnel grâce aux formules de trigonométrie 1) Calculer l'intensité dans le cas de deux ondes d'amplitudes respectives :

• a1(t) =a1 cos (ω t+ϕ1),

• a2(t) =a2 cos (ω t+ϕ2),

en utilisant des formules trigonométriques.

On se sert decos (ω t+ϕ₁) + cos (ω t+ϕ₂) = ^{cos(ϕ1−ϕ2)+cos(2}₂ ^{ω t+ϕ1+ϕ2)}.

4.4) Démonstration de la formule de Fresnel grâce aux complexes 1) Calculer l'intensité dans le cas de deux ondes d'amplitudes respectives :

• a1(t) =a1 cos (ω t+ϕ1),

• a2(t) =a2 cos (ω t+ϕ2),

en utilisant les complexes associés.

On posea1(t) = Re (˜a1), aveca˜1=a1e^{j ϕ1}e^{j ω t} et a2(t) = Re (˜a2), aveca˜2=a2e^{j ϕ2}e^{j ω t}.

4.5) Calcul grâce aux complexes de l'intensité dans le cas de N ondes de même amplitude ayant un même déphasage

1) Calculer, en utilisant les complexes associés, l'intensité dans le cas deN ondes d'amplitudes respectives :

a1(t) =a0cos (ω t+ϕ),a2(t) =a0 cos (ω t+ 2ϕ), ...,aN(t) =a0 cos (ω t+N ϕ)

I=^a₂^20sin

2(^{N ϕ}₂ )

sin²(^ϕ₂) .

Résolution de problème

Réseau holographique

D'après

diverses sources : un cours de l'ESPCI, un article de science de l'ingénieur et http ://www.lyc-vinci-levallois.ac- versailles.fr

Fabriquer un réseau en photographiant des interférences.

Aujourd'hui les réseaux holographiques qu'on obtient directement en photographiant des franges sur des polymères photosensibles ont tendance à remplacer les réseaux gravés.

Il s'agit de produire un interférogramme à partir de la gure d'in- terférence de 2 faisceaux après séparation d'amplitude.

L'angle qui sépare les 2 faisceaux incidents sur la plaque hologra- phique déterminera le pas du réseau et donc son nombre de traits au mm.Les "traits" du réseau sont matérialisés par les franges sombres et brillantes de l'interférogramme.

Pratiquement le procédé se décompose en 3 étapes :

• la première concerne l'enregistrement des interférences sur un sup- port photosensible ;

• la seconde implique un procédé chimique de développement du sup- port, et dure typiquement un bon quart d'heure avec des plaques argentiques,

• la dernière est le processus dans lequel un laser diracte sur le réseau sinusoïdal codé dans le support photosensible.

Enoncé

On photographie les franges créées par un interféromètre de Michelson réglé en coin d'air sur la pellicule photosensible d'un appareil photographique de focalef⁰= 50 mmplacé à70 cmdes miroirs de l'interféromètre éclairé par une lampe au sodium.

Déterminer l'angleαdu coin d'air pour que le réseau généré soit de 300 traits par mm.

Programmation en python

Intensité en lame d'air

On s'intéresse à un interféromètre de Michelson utilisé en lame d'air (l'écart entre les miroirs est noté x), éclairé par une source monochromatique de longueur d'ondeλ= 632,8 nm. On observe les interférences dans le plan focal d'une lentille convergente de focalef = 1 m. On repère le plan d'observation par le rayonr compté à partir du foyer.

1) Ecrire un programme qui permet de tracer le graphe de l'intensité en fonction derpour plusieurs écarts xentre les miroirs.

1) cf gure suivante :

Approche documentaire (DNS)

L'expérience de Michelson et Morley

Jean Surdej

D'après l'article disponible sur le site de l'EASO (extragalactic astrophysics and space observations) à l'adresse : www.aeos.ulg.ac.be.

Une expérience pour mesurer la vitesse de la lumière.

L'éther

Pour les anciens, la "réalité" d'un mouvement dépend de certaines "sensations particulières". Ils concluaient ainsi que la Terre devait être immobile dans l'espace. Suivant ses expériences, Galilée trouve que l'entraînement par un véhicule en mouvement "simple" ne provoque aucune "sensation particulière" ; aucun "eet mécanique"

permettant de déceler le mouvement du véhicule par rapport au sol (comme une goutte d'eau tombant dans une bouteille).

Galilée énonce son principe de relativité suivant lequel la translation rectiligne et uniforme d'un laboratoire par rapport aux étoiles ne provoque aucune sensation de mouvement et n'inuence en aucune manière des expériences de mécanique eectuées à l'intérieur du laboratoire. Les lois de la mécanique sont donc valables par rapport à tous les systèmes de référence inertiels (référentiels galiléens en mouvement rectiligne et uniforme les uns par rapport aux autres). Il en découle l'impossibilité de déterminer la vitesse réelle de la Terre dans l'espace par des expériences de mécanique.

Newton croyait en l'existence d'un espace absolu par rapport auquel étaient valables les lois de la mécanique.

Bien que Newton se représente plutôt la lumière comme étant formée de petits corpuscules qui se propagent dans le vide, Huygens associe la propagation de la lumière à celle d'ondes scalaires qui se déplacent par rapport à un éther rigide, immatériel.

D'aucuns suggèrent que cet hypothétique éther est lié à l'espace absolu de Newton et que la célérité c des ondes électromagnétiques prévues par la théorie de Maxwell (1860) est celle de de la lumière dans le référentiel de l'éther (R).

Adoptant cette hypothèse, le grand espoir de la physique de la n du XIXème siècle est de pouvoir mesurer la vitesse du mouvement de la Terre par rapport à l'éther, le référentiel absolu de Newton. Michelson et Morley proposent une expérience pour réaliser cette mesure.

Description de l'expérience

Au cours de leur célèbre expérience, Michelson et Morley ont essayé de détecter ce qu'on appelait le vent d'éther, c'est-à-dire le mouvement de la Terre dans l'éther, le milieu par rapport auquel on supposait que la vitesse de la lumière était égale à c. Ils comparaient les temps mis par la lumière pour faire des aller et retour de longueurs égales dans des directions parallèles et perpendiculaires à celle du mouvement de la Terre autour du Soleil. Ils rééchissaient la lumière d'avant en arrière entre des miroirs presque parallèles. Ils parvenaient ainsi à une longueur totale de 22 mètres pour chaque trajet. Si l'éther est au repos par rapport au Soleil et que la Terre se déplace avec une vitesse d'environ 30 km·s⁻¹ sur son orbite, la diérence attendue entre les instants de retour de deux éclairs transmis en même temps selon les deux trajets perpendiculaires était de3,7×10⁻¹⁶ s.

Même avec les appareils que nous possédons aujourd'hui, la dié- rence prévue par la théorie du vent d'éther est trop faible pour être directement mesurable. Pour ce faire, Michelson et Morley ont utilisé une méthode très astucieuse d'interférométrie illustrée sur la gure :

une lumière sensiblement monochromatique de longueur d 'ondeλ = 5890 Å (lumière du sodium) arrive par la lentille a. Une partie de cette lumière est rééchie par le miroir semi-argenté b et le reste continue en ligne droite vers d. Les deux faisceaux sont plusieurs fois rééchis d'avant en arrière jusqu'à ce qu'ils atteignent res- pectivement les miroirs e et e ; ils sont rééchis par ces miroirs et parcourent en arrière le même trajet pour

revenir en b. Sur le miroir b, une partie de chaque faisceau est dirigée vers la lunette f où ils se recombinent. On dispose en c une lame de verre transparente de mêmes dimensions que le miroir semi-argenté b de telle sorte que les deux faisceaux passent un nombre identique de fois (trois fois) à travers cette épaisseur de verre, suivant les deux trajets perpendiculaires, avant de parvenir à la lunette f.

Schéma simplié de l'interféromètre R'. Cas où R' est xe par rapport à l'éther R.

Admettons que les deux trajets soient exactement égaux et que l'appareil soit au repos par rapport à l'éther.

Les deux faisceaux de lumière monochromatique issus de b avec une diérence de phase nulle conservent cette même diérence de phase quand ils parviennent sur b au retour. Dans ces conditions, les ondes qui pénètrent dans la lunette f s'ajouteront et l'image observée sera brillante. Si, par contre, l'un des faisceaux a été retardé d'un temps correspondant à la demi-période de la lumière, il parviendra sur le miroir b une demi-période plus tard et les ondes pénétrant dans la lunette s'annuleront ; l'image observée sera sombre. Si l'un des faisceaux est retardé d'un temps égal à une période entière, l'image vue dans la lunette sera à nouveau brillante et ainsi de suite. On calcule aisément que l'intervalle de temps correspondant à la période de la lumière vaut T =λ/c= 2×10⁻¹⁵ s.

Schéma simplié de l'interféromètre R'. Cas où l'éther R se déplace par rapport à R'.

Il n'existait cependant aucun moyen permettant de suspendre le vent d'éther supposé, de régler ensuite l'appareil, puis de rétablir le vent. Pour y remédier, Michelson et Morley, faisaient otter leur interféromètre sur un bain de mercure et le faisaient tourner lentement autour de son centre comme un disque de phonographe pendant qu'ils observaient l'image dans la lunette f. De cette façon, si la lumière est retardée sur l'un des trajets quand l'appareil est orienté dans une certaine direction, la lumière de l'autre trajet subira le même retard quand l'interféromètre aura tourné de 90 degrés. La variation totale du retard observée entre les deux trajets quand l'interféromètre tourne sera donc égale à deux fois la diérence de temps attendue (2×3,7×10⁻¹⁶s).

Résultat de l'expérience

Par des améliorations assez simples apportées à cette méthode, Michelson et Morley montrèrent que la variation de retard constatée entre les deux trajets quand ils faisaient tourner l'interféromètre correspondait à moins du centième du décalage qui faisait passer d'une image sombre à la suivante dans la lunette de visée. Ce résultat impliquait que le mouvement de l'éther par rapport à la surface de la Terre, s'il existe, a une vitesse inférieure au sixième de celle de la Terre sur son orbite. Pour éliminer la possibilité que l'éther ait par rapport au Soleil la même vitesse que la Terre, ils reprirent leur expérience à trois mois d'intervalle et trouvèrent toujours le même résultat négatif !

Naissance de la relativité

Einstein émet l'hypothèse de travail suivante. En vue de rendre compte de l'expérience de Michelson-Morley, il suppose que tout signal électromagnétique (lumineux ou radioélectrique), émis et capté dans un référentiel galiléen R' (celui du laboratoire) par des appareils xés à ce laboratoire, et se propageant dans le vide, possède par rapport à ce laboratoire une vitessec.

Einstein réalise alors que les propriétés de la lumière sont incompatibles avec une interprétation classique qui suppose que le temps et les durées mesurés dans divers laboratoires inertiels sont absolus. Tout comme la relativité spatiale des endroits où se produisent les événements, Einstein entrevoit la possibilité d'une relativité temporelle entre deux événements. Einstein remet donc en cause le caractère absolu de la notion de durée.

Enoncé

1) Étude de l'interféromètre utilisé par Michelson et Morley

1.a) Associer aux éléments de la première gure du document la séparatrice et la compensatrice d'un interféromètre de Michelson.

1.b) Pourquoi l'appareil utilisé par Michelson et Morley peut-il être modélisé comme sur les deux gures suivantes ?

2) Cas de l'interféromètre de Michelson xe

On suppose que les deux faisceaux de lumière monochromatique sont issus de b avec une diérence de phase nulle.

2.a) Admettons que les deux trajets soient exactement égaux sur les deux bras de l'interféromètre et que l'appareil soit au repos par rapport à l'éther. Quel sera alors le retard ∆t entre les deux signaux ? Et la diérence de phase∆ϕ? En déduire le type d'interférence observée sur la lunette f.

2.b) Reprendre les calculs si, par contre, l'un des faisceaux a été retardé d'un temps correspondant à la demi-période de la lumière.

3) Interféromètre de Michelson en mouvement

On suppose maintenant que l'éther, dans lequel la vitesse de la lumière est c, se déplace par rapport à l'interféromètre selon la direction AB, comme dans la dernière gure du document avec la vitesse v.

3.a) Faire un schéma de l'interféromètre dans le référentiel L de l'éther, sans soucis d'échelle. On fera apparaître les points A, B et C nommés :

• A0, B0 et C0 à la date où un ash lumineux passe en A ;

• A1, B1 et C1 à la date où le ash lumineux se rééchit en C ;

• A2, B2 et C2 à la date où le ash lumineux rééchi en C repasse en A ;

• A'1, B'1 et C'1 à la date où le ash lumineux se rééchit en B ;

• A'2, B'2 et C'2 à la date où le ash lumineux rééchi en B repasse en A.

3.b) Exprimer alors en fonction de L etcles temps de parcours tA−B−A ettA−C−A. 3.c) En supposantvc, en déduire que∆t≈ ^L_c ^v_c2

.

3.d) Calculer ^∆t_T pour v = 30 km·s⁻¹ et L = 11 m. Cette variation est-elle bien supérieure à "la variation de retard correspondant à moins du centième du décalage qui faisait passer d'une image sombre à la suivante dans la lunette de visée" ?

Problème (DNS)

Lame d'air

Interférences à l'inni produites par une lame d'air éclairée par une lumière monochromatique

Le dispositif interférentiel sera modélisé par deux plans parallèles séparés par une épaisseure. Les propriétés de ces deux plans sont caractérisées par les hypothèses suivantes :

* h1 un rayon lumineux incident qui atteint le premier plan est dédoublé en deux rayons d'amplitudes égales, l'un est rééchi suivant les lois de Descartes de la réexion, l'autre est transmis sans déviation. Un rayon lumineux qui atteint le deuxième plan est rééchi suivant les lois de Descartes puis traverse le premier plan sans déviation ni réexion.

* h₂ les rayons se propagent dans l'air aussi bien entre les plans qu'en dehors. On prendra l'indice de l'air égal à 1.

* h₃les réexions se font sans aucun déphasage.

* h₄les transmissions se font sans aucun déphasage.

1) On réalise l'interférence à l'inni des deux rayons émergents. Établir l'expression de la diérence de marche entre les deux rayons en fonction deeet de l'angle d'incidencei.

2) On note pl'ordre d'interférence lorsque l'incidence i est nulle. Donner l'expression de l'intensité de la gure d'interférence (à une constante multiplicative près) en fonction deiet de p.

3) On suppose, dans cette question et les suivantes que l'angle d'incidence est susamment petit. Établir l'expression donnant les angles correspondant aux maxima d'intensité successifs.

On supposera que pest exactement un nombre entier.

On notera ik l'incidence correspondant aukⁱè^me maximum (compté à partir dei= 0).

On exprimera ik en fonction deket dep.

Tracer de façon grossière l'intensité en fonction de i(on se limitera à quatre ou cinq maxima).

4) Donner l'expression de ik sipn'est pas exactement un nombre entier.

(On notera : p0 = partie entière dep, et :q=p−p0).

On exprimera ik en fonction dek, deqet dep.

Préciser comment se déforme la courbe de l'intensité en fonction deilorsqueeaugmente (on supposera que pest très grand devant 1).

5) Donner l'expression des angles i⁰_k correspondant aux minima successifs d'intensité.