Chapitre 6 – Interférence des ondes
TP 5 Le phénomène d’interférence
Page 1 sur 3 Objectifs :
Tester des conditions d’interférences constructives ou destructives à la surface de l’eau dans le cas de deux ondes issues de deux sources ponctuelles en phase
Exploiter l’expression donnée de l’interfrange dans le cas des interférences de deux ondes lumineuses.
Capacité numérique : Représenter, à l’aide d’un langage de programmation, la somme de deux signaux sinusoïdaux périodiques synchrones en faisant varier la phase à l'origine
En 1801, le scientifique britannique Thomas Young réalise une expérience historique en faveur de la nature ondulatoire de la lumière : interférences lumineuses
Les interférences sont un phénomène qui se produit lorsque deux ondes de même nature se rencontrent. On peut ainsi observer les phénomènes d’interférence en optique, en télécommunications (ondes électromagnétiques) mais aussi en mécanique (acoustique ou pour les ondes à la surface de l’eau). Ce phénomène n’est néanmoins observable que dans des cas particuliers.
La propriété qu’ont les ondes d’interférer dans certaines conditions a permis de mettre au point des techniques de mesure de pointe : cela s’appelle l’interférométrie.
1. Interférences à la surface de l’eau Doc1 : Ondes à la surface de l’eau
Les vibrations périodiques d’une pointe S à la surface de l’eau d’une cuve à ondes (a) créent des ondes circulaires périodiques se propageant de façon concentrique à la surface de l’eau.
L’alternance des crêtes (traits pleins) et des creux (pointillés) de l’onde est représentée ci-dessous (b).
Doc 2 : Interférences de deux ondes à la surface de l’eau
Deux sources d’ondes vibrant à la même fréquence et avec un déphasage constant sont dites cohérentes. Les ondes produites par deux sources cohérentes se rencontrent et se superposent.L’état d’un point donné dépend de l’état vibratoire de chaque onde en ce point : c’est le phénomène d’interférences à deux ondes. On distingue deux situations remarquables :
les ondes sont en opposition de phase, les interférences sont destructives ;
les ondes ne sont pas en opposition de phase, les interférences sont constructives avec une situation extrême correspondant au cas où les deux ondes sont à leur extremum d’amplitude. On dit qu’elles sont en phase.
Doc3 : Schéma d’interférences
Le schéma ci-contre est obtenu lorsque deux perturbations sinusoïdales sont produites en deux points S1 et S2 de la cuve à ondes. Les deux ondes se superposent, et "interfèrent".
On peut observer des lignes d'amplitude maximum, lorsque les ondes arrivent en phase.
On observe également des lignes "neutres" lorsque les deux ondes arrivent en opposition de phase. Sur ces lignes d'interférence destructive, l'eau est au repos.
Ces lignes, ou "franges" d'interférence sont des hyperboles.
d1 et d2 sont les distances entre un point de la surface et respectivement les sources 1 et 2.
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Questions :1. La différence entre les deux distances d1 et d2 est appelée différence de chemin et elle est notée . Pour chaque point, calculer la différence de chemin et compléter la ligne 2 du tableau ci-dessous.
2. Comparer cette différence de chemin à la longueur d’onde puis compléter la ligne 3 du tableau.
3. A l’aide du site http://www.sciences.univ-
nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/cuve_ondes/interference_ondes_circulaires.html , compléter la ligne 4 du tableau.
Point A B C D E F G H I
Différence de chemin Relation entre et Type d’interférences
(destructives ou constructives
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Page 3 sur 3 2. Phénomène d’interférence lumineuse
ATTENTION : Pour les expériences suivantes, nous allons utiliser un faisceau laser. La puissance de ce faisceau est faible mais le faisceau est très fin, ce qui le rend dangereux en particulier pour les yeux.
2.1. Mise en évidence du phénomène (expérience prof)
Sur la paillasse prof, sont alignés un laser rouge de longueur d’onde 650 nm, un dispositif de double fente F1 et F2 appelé fentes d’Young et un écran blanc.
Dessiner la figure observée sur l’écran et noter les observations.
2.2. Influence de la distance écran-fentes d’Young (expérience prof) Faire varier D.
Comment varie l’interfrange i lorsque D diminue ? 2.3. Influence de la longueur d’onde (expérience prof)
Remplacer le laser rouge par le laser vert OVIO de longueur d’onde 532 nm.
L’interfrange i dépend-il de la lumière ?
Si oui, comment varie l’interfrange i lorsque diminue ?
3. Déterminer la longueur d’onde d’un laser en utilisant le phénomène d’interférence lumineuse 3.1. Dispositif expérimental
Sur un banc d’optique, disposer :
Un laser
un dispositif de fentes doubles
un écran blanc à 1800 mm des fentes doubles Pour chaque double fente, mesurer l’interfrange i.
Ecartement a (
m) Interfrange i mesuré (mm) 200
300 500
a. Expliquer comment on peut déterminer avec le plus de précision possible la valeur de l'interfrange i.
b. L’interfrange i dépend-il de l’écartement des fentes ?
c. Si oui, comment varie l’interfrange i lorsque l’écartement augmente ?
d. Justifier que les résultats précédents sont cohérents avec la relation donnant l’interfrange : i =
e. Vérifier son homogénéité par une analyse dimensionnelle
f. Quel est l’intérêt d’utiliser une distance D grande ? g. En déduire la valeur de la longueur d’onde du laser.
h. Vérifier avec la valeur indiquée sur le laser et calculer un écart type.
Les interférences lumineuses sont créées en divisant l’onde émise par une seule source, de sorte qu’elle prenne deux trajets différents.
Chaque fente diffracte la lumière. Un point de l’écran reçoit donc deux ondes, ayant traversé deux fentes différentes.
