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TS Thème : Observer TP n°5
Physique La diffraction de la lumière Chap.3
But du TP : Mettre en évidence le phénomène de diffraction des ondes lumineuses. Etudier l’influence de différents paramètres sur la figure de diffraction. Déterminer les conditions nécessaires à la diffraction,
La diffraction caractérise la déviation des ondes (lumineuse, acoustique, radio, rayon X...) lorsqu’elles rencontrent un obstacle. Ce phénomène semble avoir été observé pour la première fois par Léonard de VINCI en 1500. Pour l’expliquer, le physicien néerlandais Christiaan HUYGENS proposa en 1678 une théorie ondulatoire de la lumière.
I. Etude quantitative de la diffraction 1. Dispositif expérimental
Le faisceau du laser « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » ne doit jamais pénétrer directement dans l’œil (lésion irréversible de la rétine). Il faut également se méfier d’éventuelles réflexions parasites.
La figure de diffraction obtenue lors de l’expérience lors de la diffraction par un fil et celle obtenue lors de la diffraction par une fente d’une lumière monochromatique sont considérées comme identiques.
On dispose d’un laser émettant une radiation rouge de longueur d’onde dans le vide. Le faisceau du laser est dirigé vers un écran. Un fil vertical très fin ou une fente très fine, de largeur a, est placé sur le trajet du faisceau laser à une distance D de l’écran.
La lumière du laser est alors diffractée : on observe sur l’écran une figure de diffraction. La figure de diffraction obtenue permet d'observer des taches lumineuses : on mesurera la largeur L de la tache centrale.
2. Observer et mesurer
Protocole : il faut interposer les différents fils ou fentes, de largeurs connues a, à une distance constante (quelques cm) du laser, la distance D ayant été mesurée et devant rester constante également.
Observer la figure de diffraction sur l’écran.
La largeur L correspond à la distance entre les milieux de chacune des premières extinctions, situées de part et d’autre de la tâche centrale
Appel 1 : Appeler le professeur pour qu’il vérifie une mesure 2.1. Mesurer et noter la distance D entre le fil et l’écran.
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2.2. Mesurer et noter, dans le tableau ci-dessous, la largeur L de la tache centrale pour les différents fils ou fentes de largeurs connus.
a (mm) L (mm)
2.3. Comment varie la largeur L d e la tâche centrale quand le diamètre a du fil ou de la fente augmente ? 2.4. Utiliser Regressi et créer la représentation graphique permettant de montrer que L et a sont liés par la
relation : L = k/a. Expliquer. Déterminer la valeur de k.
Appel 2 : Appeler le professeur pour qu’il valide vos mesures puis enregistrer vos valeurs.
On peut montrer que, dans les conditions de l’expérience : L = 2 × λ × D a
2.5. Déduire de la question précédente la valeur de la longueur d’onde expérimentale (en m puis en nm) du faisceau laser.
2.6. En déduire l’erreur relative expérimentale - théorique théorique
. Conclure sur les causes d’incertitude.
3. Diamètre d’un cheveu ou d’un fil
3.1. Imaginer un protocole expérimental permettant de déterminer le diamètre d’un cheveu.
Appel 3 : Faire valider par le professeur
Faire don d’un cheveu à la science et réaliser l’expérience.
3.2. Déterminer le diamètre du cheveu en m puis en mm. Expliquer.
II. Etude qualitative de la diffraction
1. Diffraction d’une lumière monochromatique par une fente
1.1. Prévoir quels paramètres peuvent faire varier la largeur L de la tâche centrale.
Appel 4 : Faire valider par le professeur
Ouvrir l’animation : http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffraction.html Choisir « Diffraction par une fente ».
1.2. A l’aide des données, prévoir comment va évoluer L si on augmente successivement chacun des paramètres.
Vérifier vos prévisions à l’aide de la simulation.
Cliquer sur la figure (en bas de la figure de diffraction) pour faire apparaitre la courbe donnant l’intensité lumineuse en fonction de la position x.
Choisir λ = 650 nm, a = 40 µm. Vérifier les valeurs à gauche de l’écran.
1.3. Donner la largeur de la tâche centrale quand D1 = 125 cm puis quand D2 = 160 cm.
1.4. Comparer l’intensité lumineuse de la tâche centrale à celle des autres tâches. Expliquer.
2. Diffraction d’une lumière blanche par une fente
2.1. Quelles sont les valeurs limites des longueurs d’onde des radiations visibles dans le vide ? Quelles sont les couleurs correspondant à ces longueurs d’onde ?
2.2. Comment doit évoluer la largeur L de la tâche centrale en fonction des longueurs d’onde comprises entre ces deux limites ? Justifier.
Prévoir quelle peut être la figure de diffraction observée quand une fente est éclairée en lumière blanche.
Choisir alors l’onglet « blanche » et observer la figure de diffraction d’une lumière blanche par une fente afin de vérifier vos prévisions.
2.3. Expliquer pourquoi on observe une tâche centrale blanche. Vous pourrez vous aider de la courbe I = f(x) en cliquant sur l’onglet figure.
2.4. Pourquoi observe-t-on du rouge sur « l’extérieur » de la tâche centrale ? Vous pourrez vous aider de la courbe I = f(x) en cliquant sur l’onglet figure et de la réponse à la question 2.2.
