Activité expérimentale
d’un laser avec un maximum de précision
Objectifs : Pratiquer une démarche expérimentale le cas des ondes lumineuses.
CONTEXTE DU SUJET
L’entreprise SCANX développe un nouveau modèle de scanner 3D destiné à être relié directement à une imprimante 3D, capable de dupliquer la forme de n’importe quel objet.
Pour mettre au point le scanner les ingénieurs ont besoins de connaître avec préci qui sera utilisé.
Votre responsable vous fournis un maximum de documents et une démarche expérimentale, basée sur le principe de diffraction,
permettre de retrouver la longueur d’onde du laser ave précision.
Le but du TP est de mettre en œuvre la démarche proposée conditions permettant d’avoir une précision optimales
la pertinence de la méthode proposée pour déterminer la longueur d’onde du laser.
DOCUMENTS :
tan é
é Document 1 :Résumé du cours de Tale S I- Le phénomène de diffraction Lorsqu’on éclaire une fente ou un fil
monochromatique, on peut observer une alternance de zones sombre et lumineuses c’est le phénomène de diffraction schéma).
II- Définition de l’écart angulaire de diffraction.
Dans la situation schématisée ci-contre :
Or si la distance entre l’obstacle et l’écran D est suffisament grande le demi-angle θ est très faible
tan d’où
Donc si D>>l alors :
1
Document 2 : Sécurité.
ATTENTION : Le faisceau laser est très intense. S’il pénètre dans l’œil, il peut endommager la rétine et conduire à la cécité.
Activité expérimentale : Comment déterminer la longueur d’onde d’un laser avec un maximum de précision ?
Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier le phénomène de diffraction dans le cas des ondes lumineuses.
développe un nouveau modèle de scanner 3D destiné à être relié directement à une imprimante 3D, capable de dupliquer la forme de n’importe quel objet.
nt le scanner les ingénieurs ont besoins de connaître avec précision la longueur d’onde du laser Votre responsable vous fournis un maximum de documents et une démarche
, basée sur le principe de diffraction, qui selon lui devrait vous permettre de retrouver la longueur d’onde du laser avec suffisamment de Le but du TP est de mettre en œuvre la démarche proposée, dans les conditions permettant d’avoir une précision optimales, puis de conclure sur la pertinence de la méthode proposée pour déterminer la longueur d’onde
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Spé physique-chimie sur le phénomène de diffraction.
avec une lumière
, on peut observer une alternance de zones phénomène de diffraction (Cf
Définition de l’écart angulaire de diffraction.
contre :
distance entre l’obstacle et l’écran D est suffisament est très faible donc :
/
Θ en °
Θ en rad 0,035 tan (θ) 0,035
L 2D
Le faisceau laser est très intense. S’il pénètre dans l’œil, il peut endommager la rétine
Comment déterminer la longueur d’onde
visant à étudier le phénomène de diffraction dans
développe un nouveau modèle de scanner 3D destiné à être relié directement à une
sion la longueur d’onde du laser
sur le phénomène de diffraction.
2 5 10 30
0,035 0,087 0,175 0,525 0,035 0,087 0,176 0,580
Le faisceau laser est très intense. S’il pénètre dans l’œil, il peut endommager la rétine
MATERIEL MIS A DISPOSITION :
Banc optique □ Laser vert. □ Série de7 fentes de largeur a connue (30 μm ; 40 μm ; 60 μm ; 80 μm ; 100 μm ; 150 μm ; 200 μm). □ Ecran pour banc optique.
TRAVAIL A EFFECTUER :
1. Analyse du problème et formulation d’un protocole expérimental.
1.1. Analyse du problème.
a- A partir des documents et de vos connaissances retrouvez, la relation entre L, a, D et λ qui a été malencontreusement, recouverte par des taches d’encre.
b- Dans le cas d’un laser de longueur d’onde λ fixe et d’une fente de largeur a fixe, dans quelle condition la tache centrale sera la plus grande possible.
c- Expliquez brièvement ce qui est sous-entendu dans la phrase «Régler la distance fente/écran D de manière à avoir le moins d’incertitude sur la mesure de la largeur de la tache de diffraction L » du document 3.
d- Dans le protocole du document 3, il est dit : « Afficher la courbe représentant les variations de L/2D en fonction de 1/a (L/2D=f(1/a))», indiquer quelles sont les valeurs qu’il faudra placer en abscisse et en celles en ordonnée.
e- Dans ce même document il est également dit : « Par analyse il est possible de démontrer que le coefficient directeur de la droite obtenue correspond à la longueur d’onde du laser». Réaliser cette analyse et démontrer en expliquant les étapes de votre raisonnement que le coefficient directeur de la droite L/2D=f(1/a)obtenue correspond à la longueur d’onde du laser.
Appel 1 : Appeler le professeur pour lui présenter l’analyse du problème ou en cas de difficultés.
D l : quelques cm
Diode laser
écran
fil fente
Document 3 : Méthode utilisant le phénomène de diffraction, qui permet de trouver la longueur d’onde d’un laser.
• Vous disposez d’un laser de longueur d’onde λ et d’une série de 7 fentes de largeur a connue (30 μm ; 40 μm ; 60 μm ; 80 μm ; 100 μm ; 150 μm ; 200 μm).
• Mettre le laser et une fente à une extrémité du banc puis ajouter un écran comme indiqué sur le schéma suivant.
• Régler la distance fente/écran D de manière à avoir le moins d’incertitude sur la mesure de la largeur de la tache de diffraction L.
• Mesurer la largeur L de la tache centrale de diffraction. Pour cela, placer une feuille de papier sur l’écran, indiquer au crayon le milieu des zones d’extinction situées de part et d’autre de la tache centrale, retirer la feuille et prendre une règle pour faire une mesure précise.
• Recommencer l’opération pour chaque fente de largeur différente et compléter la première ligne du tableau de mesure suivant.
a en μm 30 40 60 80 100 150 200
L en ……….
• Rentrer les valeurs du tableau dans le tableur du logiciel Atelier Scientifique, en utilisant les unités internationales.
• A l’aide du tableur-grapheur du logiciel Atelier Scientifique, calculer la valeur de L/2D pour chaque figure de diffraction.
• Afficher la courbe représentant les variations de L/2D en fonction de 1/a (L/2D=f(1/a))
• En utilisant les fonctionnalités du logiciel, donner l’équation qui modélise le mieux la courbe obtenue.
• Par une analyse il est possible de démontrer que le coefficient directeur de la droite obtenue correspond à la longueur d’onde du laser.
2. Réalisation du protocole expérimental proposé.
Mettre en œuvre le protocole expérimental dans les conditions permettant d’avoir le minimum d’incertitude sur L, tracer la droite demandée, donner son équation.
En déduire si le modèle mathématique est satisfaisant, et la valeur de la longueur d’onde λ du laser.
Une fiche méthode expliquant comment utiliser logiciel Atelier Scientifique pour faire des calculs, tracer une courbe, et obtenir son équation est disponible sur votre paillasse.
Appel 2 : Appeler le professeur pour lui présenter les résultats ou en cas de difficultés.
3. Valider les résultats.
a. Le fabriquant du laser indique sur la notice que la longueur d’onde du laser vert est de 532nm. Calculer l’erreur relative εr entre la valeur que vous avez obtenue expérimentalement et celle fournie par le fabriquant.
b. Déterminer au moins deux causes d’incertitudes expérimentales.
c. Rédiger une réponse argumentée au problème soulevé dans la partie « CONTEXTE DU SUJET ».
Appel 3 : Appeler le professeur pour lui présenter les résultats et les conclusions ou en cas de difficultés.
4. Communication sur le travail réalisé. (Travail à terminer à la maison)
En utilisant le cahier de textes sur l’ENT (remise en ligne avec enregistrement audio), enregistrer un fichier audio d'une durée n'excédant pas 1 minute 30 secondes dans lequel vous devrez :
• Indiquer votre nom et prénom et rappeler la problématique.
• Faire un résumé concis précisant la technique utilisée pour la réalisation de l'expérience et les mesures réalisées.
• Formuler une conclusion cohérente avec le problème, utilisant un vocabulaire scientifique adapté à propos du travail que vous avez réalisé.
Le fichier audio devra être enregistré en lui donnant comme nom de fichier votre nom.
Appel 4 : Appeler le professeur pour lui présenter le texte réalisé ou en cas de difficultés.
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GRILLE D’AUTOÉVALUATION INDIVIDUELLE (A rendre avec le compte rendu de TP)
Analyser Réaliser Valider
Niveau A : j’y suis parvenu(e) seul(e), sans aucune aide Niveau B : j’y suis parvenu(e) après avoir obtenu une aide importante ou deux aides mineures (d’un autre membre du groupe ou de mon professeur)
Niveau C : j’y suis parvenu(e) après plusieurs aides importante ou 3 aides mineures.
Niveau D : je n’y suis pas parvenu(e) malgré les différents
« coups de pouce ».
Communication
Niveau A : j’ai réalisé une communication cohérente complète avec un vocabulaire scientifique adapté.
Niveau B : j’ai réalisé une communication cohérente, incomplète mais il l’a exprimée pour l’essentiel avec un vocabulaire scientifique adapté.
Niveau C : j’ai réalisé une communication manquant de cohérence, incomplète ou avec un vocabulaire scientifique mal adapté.
Niveau D : j’ai réalisé une communication incohérente ou absente.
TITRE
TP : Comment déterminer la longueur d’onde
d’un laser par diffraction ? COMPETENCES Niveau validé A B C D S'approprier
Analyser
Réaliser
Valider
Communiquer
Autonomie initiative
