Observer. Ondes et matière.

Thème : Observer.

Sous-thème : Ondes et matière.

Chapitre 3 : Les propriétés  des ondes.

TP : Etude de la diffraction.

Thomas Young, physicien britannique, réalise l'expérience historique des «fentes d'Young ». Il met ainsi en évidence les phénomènes de diffraction et d'interférences lumineuses et les explique par le caractère ondulatoire de la lumière. Qu'est-ce que la diffraction de la lumière ?

I. MISE EN EVIDENCE DE LA DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE

                L

[pic 1]

• Réaliser le montage schématisé ci-contre en éclairant le fil sur un support. Le support est placé à 10 cm environ du laser et l'écran est positionné le plus loin possible du fil (L > 1,50 m). Observer la figure de diffraction sur l'écran.

1. Reproduire la figure de diffraction observée et la légender avec les termes : « tâche centrale de diffraction», « tâches secondaires », « première extinction ».
2. Comparer la direction de la figure de diffraction à celle des fils.
3. Qu'observe-t-on en l'absence de fil?

II. DETERMINATION DE LA LONGUEUR D'ONDE D'UN LASER

• Repérer, sur la paillasse, les positions exactes du fil et de l'écran et ne plus les modifier. Mesurer précisément la distance L en mètre.
•  On note : a, le diamètre du fil diffractant; D, la  distance séparant les milieux des deux premières extinctions; θ, l'écart angulaire entre le milieu de la tâche centrale de diffraction et le milieu de la première extinction (voir schéma ci-dessous).

[pic 2]

•        Réaliser une série de mesures précises de la largeur D pour différents diamètre a et remplir le tableau de la feuille de réponse..

1. Comment varie la largeur de la tâche centrale de diffraction lorsque le diamètre a du fil diminue ?

2. En utilisant le schéma et sachant que pour de petits angles θ (en rad) tanθ ≈ θ, montrer que θ≈ D / (2*L).

Dans un tableur, copier les valeurs de a (m) et D(m) puis faire calculer, dans l'ordre, les valeurs de 1/a et de l'angle θ.

Tracer le graphe θ en fonction de 1/a

3.        Commenter l'allure du graphe. Que peut-on dire des grandeurs θ et 1/a ?

4.        On note k le coefficient directeur de la droite obtenue: quelle relation a-t-on entre θ , k et 1/a ?

 Faire calculer la valeur de k par le tableur en utilisant une courbe de tendance.

5.        Noter la valeur de k. Quelle est son unité ?

6. La théorie de la diffraction montre que θ = λ / a:

Déduire, de la relation précédente et de celle de la question 4., la valeur de la longueur d'onde expérimentale λexp du laser utilisée. L'exprimer en nm.

7. Donner un encadrement en utilisant les relations permettant de déterminer l’incertitude.

Comparer la valeur trouvée à celle indiquée sur le laser. Détermine son erreur relative.

7 Détermination de l’incertitude sur λ

Indications pour l’évaluation des incertitudes

On note, Ua l’incertitude sur a, UD celle sur D et UL celle sur L.

La loi des incertitudes composées relie les incertitudes entres elles, elle s’écrit dans ce cas :

[pic 3]

- Evaluation de l’incertitude UL sur L  Elle résulte de deux lectures effectuées à l’aide d’une règle. L’incertitude due aux lectures est reliée à la plus petite graduation q de la règle : on suppose qu’elle s’évalue par l’expression : [pic 4].

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