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🌊 Thème 3 · Chapitre 17

Exercices — Les phénomènes de diffraction et d'interférence

Commence par les exercices ★, puis monte en difficulté. Les corrections se dévoilent question par question.

Entraînement

1ExerciceCalculer un angle de diffraction0 / 2 corrections affichées

Calculer un angle de diffraction

Énoncé

Un laser vert de longueur d'onde λ = 532 nm traverse une fente fine de largeur a = 40 µm.

Données utiles

  • θ = λ / a (angle en radians, petits angles)

Progression

0 / 2 corrigées
  1. 1

    Convertir λ et a en mètres.

  2. 2

    Calculer le demi-angle θ de la tache centrale de diffraction.

2ExerciceLargeur de la tache sur un écran0 / 2 corrections affichées

Largeur de la tache sur un écran

Énoncé

Un faisceau laser de longueur d'onde λ = 650 nm diffracte à travers une fente de largeur a = 0,10 mm. On observe la figure obtenue sur un écran placé à D = 2,00 m.

Données utiles

  • θ = λ / a
  • tan θ ≈ θ ≈ L / (2D) pour les petits angles

Progression

0 / 2 corrigées
  1. 1

    Calculer le demi-angle de diffraction θ.

  2. 2

    En déduire la largeur L de la tache centrale sur l'écran.

3ExerciceConditions d'interférences constructives et destructives0 / 2 corrections affichées

Conditions d'interférences constructives et destructives

Énoncé

Deux ondes lumineuses cohérentes, de longueur d'onde λ = 600 nm, se superposent en un point M de l'écran avec une différence de marche δ.

Données utiles

  • Interférence constructive : δ = k λ (k entier)
  • Interférence destructive : δ = (k + ½) λ

Progression

0 / 2 corrigées
  1. 1

    En M₁, δ = 1,8 × 10⁻⁶ m. L'interférence est-elle constructive ou destructive ?

  2. 2

    En M₂, δ = 1,5 × 10⁻⁶ m. Que peut-on dire en ce point ?

4ExerciceCalculer un interfrange0 / 2 corrections affichées

Calculer un interfrange

Énoncé

Un dispositif de fentes de Young est éclairé par un laser. Les fentes sont distantes de b = 0,30 mm, et l'écran est placé à D = 2,50 m.

Données utiles

  • i = λ · D / b

Progression

0 / 2 corrigées
  1. 1

    Le laser a une longueur d'onde λ = 650 nm. Calculer l'interfrange i.

  2. 2

    Si l'on remplace le laser par un autre, de longueur d'onde plus courte, l'interfrange augmente-t-il ou diminue-t-il ?

5ExerciceMesurer le diamètre d'un fil fin0 / 2 corrections affichées

Mesurer le diamètre d'un fil fin

Énoncé

Un fil de cuivre très fin est éclairé par un laser de longueur d'onde λ = 633 nm. On observe sur un écran, à D = 1,80 m, une tache centrale de diffraction de largeur L = 3,0 cm. On admet qu'un fil fin diffracte comme une fente de même largeur a.

Données utiles

  • θ ≈ L / (2D)
  • θ = λ / a

Progression

0 / 2 corrigées
  1. 1

    Calculer le demi-angle de diffraction θ.

  2. 2

    En déduire le diamètre a du fil.

6ExerciceIdentifier une couleur par la mesure d'un interfrange0 / 3 corrections affichées

Identifier une couleur par la mesure d'un interfrange

Énoncé

On mesure, sur un écran situé à D = 1,20 m de deux fentes de Young espacées de b = 0,40 mm, une distance de 1,9 cm couvrant 10 interfranges consécutifs.

Données utiles

  • i = λ · D / b

Progression

0 / 3 corrigées
  1. 1

    Expliquer pourquoi il est préférable de mesurer plusieurs interfranges plutôt qu'un seul.

  2. 2

    Calculer l'interfrange i.

  3. 3

    En déduire la longueur d'onde λ de la lumière utilisée, et sa couleur.

7ExerciceNe pas confondre largeur de fente et écart entre fentes0 / 3 corrections affichées

Ne pas confondre largeur de fente et écart entre fentes

Énoncé

Un même laser de longueur d'onde λ = 405 nm est utilisé successivement sur une fente unique de largeur a = 0,15 mm, puis sur deux fentes de Young espacées de b = 0,15 mm également, avec un écran à D = 1,50 m dans les deux cas.

Données utiles

  • θ = λ / a (fente unique)
  • i = λ D / b (fentes de Young)

Progression

0 / 3 corrigées
  1. 1

    Calculer la largeur L de la tache centrale de diffraction avec la fente unique.

  2. 2

    Calculer l'interfrange i obtenu avec les deux fentes de Young.

  3. 3

    Les deux valeurs numériques a et b étant égales, pourquoi L et i ne sont-ils pas identiques ?

8ExerciceIdentifier un laser inconnu par interférences0 / 4 corrections affichées

Identifier un laser inconnu par interférences

Énoncé

Un professeur dispose d'un laser dont il ne connaît plus la longueur d'onde. Il l'envoie sur deux fentes de Young distantes de b = 0,25 mm et observe la figure d'interférences sur un écran situé à D = 2,00 m. Il mesure une distance de 5,2 cm entre la 1ᵉ et la 11ᵉ frange brillante.

Données utiles

  • i = λ D / b
  • Distance entre les franges k = 1 et k = 11 : 10 interfranges

Progression

0 / 4 corrigées
  1. 1

    Justifier que la distance mesurée correspond à 10 interfranges.

  2. 2

    Calculer l'interfrange i.

  3. 3

    En déduire la longueur d'onde λ du laser, puis sa couleur probable.

  4. 4

    Le professeur remplace le dispositif par une fente unique de même largeur que b. Montrer que la figure obtenue n'est plus périodique de la même façon.

9ExerciceInterférences entre deux haut-parleurs0 / 4 corrections affichées

Interférences entre deux haut-parleurs

Énoncé

Deux haut-parleurs alimentés par le même générateur émettent un son de fréquence f = 1 700 Hz. Un micro est placé à d₁ = 2,00 m du premier et d₂ = 2,30 m du second.

Données utiles

  • v(son) = 340 m·s⁻¹

Progression

0 / 4 corrigées
  1. 1

    Calculer la longueur d'onde λ.

  2. 2

    Calculer la différence de marche δ et conclure sur le type d'interférences au micro.

  3. 3

    De combien faut-il au minimum éloigner le micro du second haut-parleur pour obtenir un son fort ?

  4. 4

    Pourquoi les deux haut-parleurs doivent-ils être branchés sur le même générateur ?

Exercices type bac

Rédactions originales inspirées de sujets d'annales. Le sujet officiel et son corrigé complet sont disponibles sur Labolycée.

1Type bacType bac — Mesurer un cheveu puis le comparer à un dispositif de Young0 / 5 corrections affichées

Type bac — Mesurer un cheveu puis le comparer à un dispositif de Young

Énoncé

Une élève souhaite mesurer le diamètre d'un de ses cheveux à l'aide d'un laser de longueur d'onde λ = 650 nm. Elle place le cheveu à la verticale devant le faisceau et observe la figure de diffraction sur un écran situé à D₁ = 1,50 m : la tache centrale mesure L = 2,6 cm de large. Elle refait ensuite l'expérience avec des fentes de Young de même écartement b que le diamètre mesuré du cheveu, à une distance D₂ = 1,50 m.

Données utiles

  • θ ≈ L / (2 D₁) = λ / a
  • i = λ D₂ / b
  • Diamètre typique d'un cheveu humain : 50 à 100 µm
Exercice original inspiré des sujets de bac sur la diffraction d'un cheveu (Labolycée)

Progression

0 / 5 corrigées
  1. 1

    Calculer le demi-angle de diffraction θ obtenu avec le cheveu.

  2. 2

    En déduire le diamètre a du cheveu.

  3. 3

    En prenant b = a (l'écart entre les fentes de Young égal au diamètre mesuré du cheveu), calculer l'interfrange i attendu.

  4. 4

    Comparer la largeur de la tache centrale de diffraction (L) et l'interfrange (i) obtenus. Commenter.

  5. 5

    Expliquer pourquoi la diffraction par un fil (ou un cheveu) donne une figure analogue à celle d'une fente de même largeur.