Embed Size (px)
Citation preview
Intéraction onde matière
I- DIFFRACTION D'UNE ONDE PROGRESSIVE SINUSOIDALE
pointe règle
??
Le générateur d'ondes de la cuve à ondes crée une onde rectiligne se propageant à la surface de l'eau au moyen d'une règle solidaire du vibreur.Que se passera-t-il lorsqu'une onde rencontre une mini digue possédant une ouverture représentée sur le schéma ci-dessous.
Même question, si le vibreur est muni d’une pointe (onde circulaire)?
Situation problème
vibreur
Observations :
a
Cliquer la simulation suivante:
simulation
Questions:Comparer l’onde incidente et l’onde émergente?Comparer la longueur d’onde de l’onde incidente et celle de l’onde émergente?Comparer la longueur d’onde et la largeur de l’ouverture dans chacun de ces cas?Comparer la direction de propagation de l’onde incidente et celle de l’onde émergente? De même la forme?
Observations – Interprétations:L'expérience montre qu'après la digue l'onde incidente est perturbée. Deux cas sont possibles : Si la largeur a de l'ouverture est comparable à la longueur d'onde alors l'onde incidente est peu affectée; L'ouverture agit comme un diaphragme. Si la largeur a de l'ouverture est inférieure ou égale à la longueur d'onde alors l'onde est très perturbée, on observe une modification de l’onde rectiligne après le passage de l’ouverture. L'ouverture se comporte comme une nouvelle source d'onde quasi circulaire. On a mis en évidence le phénomène de diffraction. L’onde qui arrive sur l’ouverture est appelée : onde incidente et l’onde après l’ouverture est appelée onde difractée.
L'onde diffractée et l'onde incidente ont la même longueur d'onde ,la même période et la même célérité.
Lors du passage de l'ouverture de petite dimension l'onde perd de sa directivité. Le phénomène de diffraction dépend des dimensions de l’ouverture (ou de l’obstacle).
Remarques : La diffraction des ondes sonores est un phénomène très courant. Si une porte est ouverte, on peut entendre chanter une personne qui se promène dans le couloir même si cette personne n'est pas visible. En effet, la largeur de l'ouverture est de l'ordre des longueurs d'onde des notes chantées ( est voisin du mètre). Un obstacle peut également diffracter une onde. C'est le cas notamment d'un rocher qui émerge sur les flots. Ce rocher diffracte les vagues.
La diffraction : une propriété des ondes La diffraction : une propriété des ondes
La propagation d'une onde progressive sinusoïdale rencontrant une ouverture ou un obstacle de petite taille est modifiée.
l'onde est déformée ; célérité, période , fréquence et longueur d’onde sont
La diffraction est d'autant plus nette que l'ouverture ou l'obstacle sont
conservées ;
petits ( a ) .(une ouverture inférieure à la longueur d'onde se comporte comme une source ponctuelle.)
Conclusion :
écran
radiation jaune orangé
fente
écran
Radiation jaune orangé
fenteD
L
II- La diffraction de la lumière
Problème : La lumière subit-elle le phénomène de diffraction?
• Observer la figure de diffraction, la décrire.• Etudier l’influence de la largeur a de la fente, de la distance D entre l’écran et le plan de la fente en utilisant la simulation suivante, puis conclure. Simulation de la diffraction de la lumière par une fente rectiligne
• Que se passera-t-il si on remplace la fente rectiligne par un trou? Explorer la simulation suivante:Simulation de la diffraction de la lumière par un trou
Le modèle ondulatoire de la lumière Le modèle ondulatoire de la lumière
Les milieux de propagationDans les milieux transparents, la célérité de la lumière est …
à sa célérité dans le vide.
Si n est l'indice de réfraction du milieu ( n > 1, sans unité ) :v = c / n ( ou bien n = )
Dans les milieux dispersifs :
la célérité v dépend de
donc l'indice n ( n = c / v ) dépend de
et la longueur d'onde l ( l = ) dépend de
NB : la fréquence (et donc la couleur) restent la fréquence (et la couleur) de la source monochromatique
inférieure
c / v
la fréquence
la fréquence
v / N la célérité
Conclusion:• Lorsqu’une impulsion se propageant dans une corde en atteint
l’extrémité, elle est réfléchie.• L’impulsion est inversée si l’extrémité est fixe.• L’impulsion est droite si l’extrémité est libre.
Situation problème:Que se passera-t-il lorsqu’une ...........
III- REFLEXION D'UNE ONDE PROGRESSIVE SINUSOIDALE
Réflexion
Situation :
Réflexion
Loi de la réflexioni = r
normale
i r
i r
Plan d’incidence
Situation :
Réfraction
IV- LA REFRACTION D’ONDES
Réfraction d’un rayon de lumière à l’interface de deux milieux transparents :
Au passage d’un milieu à un autre, elle subit une déviation : c’est le phénomène de réfraction
Ce phénomène est dû à un changement de vitesse de propagation lors du passage d’un milieu à un autre, la lumière mettant le temps le plus court pour aller d’un
point à un autre.
Simulation sur la réfraction d’ondes mécaniques
Si on considère la lumière comme une onde, le schéma suivant témoigne du changement de vitesse de celle-ci lorsqu’elle frappe la surface de séparation de 2 milieux transparents
différents.
Milieu transparent 1
Milieu transparent 2
Front d’onde
v1
v2 < v1
v1
v2 > v1
La vitesse de propagation d’une onde à travers un certain milieu est définie de façon suivante :
où vvide est la vitesse de la lumière dans le videnmilieu est l’indice de réfraction,caractéristique du milieu
milieumilieu n
cv
milieu Indice n Vitesse v
air nair=1,0 Vair=
Eau neau=1,3 Veau=
verre nverre= Vverre=
air
eau
eau
air
air
eau
Normale à l’interface
eau
air
Normale à l’interface
Remarque : dorénavant, pour se repérer, on
appellera :i1 : angle d’incidencei2 : angle de réfraction
vair > veau
Conséquence :
au passage de l’air à l’eau, le rayon se rapproche de la normale
Conséquence :
au passage de l’eau à l’air, le rayon s’écarte de la normale
i1 i1
i2
i2
Situation :
On obtient un spectre continu sur l’écran.La lumière blanche est composée d’une infinité de lumières colorées, chacune définie par sa longueur d’onde. Le prisme disperse ses différentes lumières.
Lumière blanche
Chacun des rayons subit 2 réfractions lorsqu’il passe dans le prisme.On constate que les rayons de lumière bleue sont plus réfractés que les rayons de lumière rouge.On peut donc en déduire que dans le prisme vbleu et vrouge sont différents
Pinceau de lumière blanche
Dispersion de la lumière :
Simulation prisme
La dispersion : une propriété des ondes La dispersion : une propriété des ondes
Un milieu est dispersif si …
… la célérité des ondes qui s'y propagent dépend de leur fréquence
Le modèle ondulatoire de la lumière Le modèle ondulatoire de la lumière
Les spectres de la lumièreLe spectre d'une lumière polychromatique est constitué de raies correspondant aux radiations monochromatiques la constituant
Le spectre de la lumière blanche est constitué d'une infinité de raies et est donc continu : c'est la portion du spectre électromagnétique correspondant à :
400 nm < l0 < 800 nm
Le modèle ondulatoire de la lumière Le modèle ondulatoire de la lumière
La lumière est soumise à la diffraction et à la dispersion => c’est une onde (onde électromagnétique)Elle peut se propager dans le vide et les milieux transparents La fréquence d'une onde lumineuse détermine sa couleur (couleur et donc fréquence de la source monochromatique) Une onde lumineuse constituée de plusieurs fréquences est polychromatique
Dans le vide :
la longueur d'onde est l0 = c . T = c / N
la célérité de la lumière est c = 3,00.108 m.s-1
Le modèle ondulatoire de la lumière Le modèle ondulatoire de la lumière
Les milieux de propagationDans les milieux transparents, la célérité de la lumière est …
à sa célérité dans le vide.
Si n est l'indice de réfraction du milieu ( n > 1, sans unité ) :v = c / n ( ou bien n = )
Dans les milieux dispersifs :
la célérité v dépend de
donc l'indice n ( n = c / v ) dépend de
et la longueur d'onde l ( l = ) dépend de
NB : la fréquence (et donc la couleur) restent la fréquence (et la couleur) de la source monochromatique
inférieure
c / v
la fréquence
la fréquence
v / N la célérité
B) Ondes rectilignesLe vibreur est maintenant muni d’un réglet ; il produit des ondes rectilignes. On interpose sur le trajet de l’onde incidente une fente de largeur a. On obtient la figure ci-dessous.•Faire apparaître, sur la reproduction de l’image, la longueur d'onde de l'onde incidente notée 1 et la longueur d'onde de l’autre onde notée 2.•Comparer les valeurs de ces deux longueurs d'onde.•Nommer le phénomène observé.•Pourquoi le phénomène est-il très marqué dans cette expérience ?•Avec quelles autres ondes (non mécaniques) peut-on observer le même phénomène?
Exercice 31- Sur la figure ci-dessous, l’écran est vertical. La figure de diffraction, horizontale, est constituée de taches lumineuses séparées par des zones d’obscurité. La tache centrale est nettement plus lumineuse que les autres taches et deux fois plus étendue qu’elles.
Largeur de la tache centrale
O
A B
Ecran
aLaser
Fente verticale
Ecran
D
Largeur de la tache centrale
O
A
B
en 10-3
radian12,5 6,0 3,0 2,0 1,3
a en mm
0,05 0,10 0,20 0,30 0,50
.a en nm
625 600 600 600 650
écart relatif 1,3% 5% 5% 5% 2,5%
2- Plusieurs calculs sont possibles. On peut par exemple calculer le produit .a et vérifier qu’il est égal à . Pour le premier calcul, =12,510-3 rad et a = 0,05 mm = 510-5m donc .a = 12,510-3510-5 = 62,510-8m = 62510-9 m = 625 nm. L’écart relatif est
600
8
8,632
6258,632 1,3% valeur inférieure à 5% donc les mesures
sont suffisamment précises pour affirmer que la relation = /a est vérifiée. On fait de même pour les autres valeurs :Conclusion : la relation = /a est vérifiée avec une bonne précision.
