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Chapitre 17 — Les phénomènes de diffraction et d'interférence

Diffraction par une ouverture, interférences et fentes de Young.

Progression du chapitre

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Introduction

Ce que tu vas apprendre. Tu vas étudier deux phénomènes caractéristiques des ondes : la diffraction par une ouverture et les interférences entre deux ondes.

Pourquoi c'est important. Ces phénomènes prouvent le caractère ondulatoire de la lumière et permettent de mesurer de très petites dimensions.

Où on l'utilise. Mesure du diamètre d'un cheveu, irisations des bulles de savon et des CD, réseaux en spectroscopie.

À la fin du chapitre, tu sauras :
  • Relier l'angle de diffraction à la longueur d'onde et à la taille de l'ouverture.
  • Distinguer interférences constructives et destructives.
  • Calculer et exploiter l'interfrange des fentes de Young.
Période→Fréquence→Longueur d'onde→Célérité→Diffraction / interférences→Effet Doppler (cours 16)
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Chapitre complet

1. La diffraction

Diffraction par une fente
laser λaLD = 2 m (écran) · θ = λ / a · L = 2λD / a

θ = λ/a = 13,0 × 10⁻³ rad · tache centrale L = 52,0 mm. Fente plus fine ou λ plus grande → tache plus large.

La fente de largeur a étale l'onde : la tache centrale de largeur L sur l'écran vérifie θ ≈ λ/a. Plus la fente est fine, plus la tache est large.

Lorsqu'une onde rencontre une ouverture ou un obstacle de petite dimension, elle ne se propage plus en ligne droite : elle s'étale. C'est la diffraction.

Condition

La diffraction est d'autant plus marquée que la dimension a de l'ouverture est petite et proche de la longueur d'onde λ.

laser ───▶ | fente a | ───▶ écran : · · ███ · ·

tache centrale (largeur L)

Le demi-angle θ de la tache centrale vérifie θ ≈ λ/a (θ en radians, petits angles). Sur un écran à distance D : tan θ ≈ θ ≈ L/(2D).

2. Les interférences

Deux ondes cohérentes (même fréquence, déphasage constant) qui se superposent peuvent se renforcer ou s'annuler selon leur décalage.

  • Constructives : différence de marche δ = kλ (k entier) → zone brillante.
  • Destructives : δ = (k + ½)λ → zone sombre.

Différence de marche

δ est la différence des distances parcourues par les deux ondes jusqu'au point considéré.

3. Les fentes de Young

Figure d'interférences
SS₁S₂biFranges équidistantes : i = λD / b

Les deux fentes S₁ et S₂, distantes de b, jouent le rôle de sources cohérentes. Sur l'écran, les franges brillantes sont équidistantes de l'interfrange i = λD/b.

Deux fentes éclairées par un même laser se comportent comme deux sources cohérentes. Sur l'écran apparaissent des franges alternativement brillantes et sombres, régulièrement espacées de l'interfrange i.

i = λ·Db

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Définitions importantes

Diffraction
Étalement d'une onde au passage d'une ouverture ou d'un obstacle de petite dimension.
Sources cohérentes
Sources de même fréquence présentant un déphasage constant.
Différence de marche δ
Différence des chemins parcourus par deux ondes jusqu'à un point.
Interfrange i
Distance entre deux franges brillantes (ou sombres) consécutives.
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Formules à connaître

Angle de diffraction

θ = λa

θdemi-angle de la tache centralerad
λlongueur d'ondem
alargeur de la fentem

Quand l'utiliser : Diffraction par une fente ou un fil.

Conditions : Petits angles ; θ en radians.

Transformations utiles :
a = λθθ ≈ L(2D) donc a = 2λDL

Interfrange

i = λ · Db

iinterfrangem
Ddistance fentes–écranm
bdistance entre les fentesm

Quand l'utiliser : Fentes de Young.

Conditions : D très grande devant b.

Transformations utiles :
λ = i·bDb = λDi
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Méthodes à connaître

Exploiter une figure de diffraction

  1. Mesurer la largeur L de la tache centrale.
  2. Calculer θ = L/(2D).
  3. Utiliser θ = λ/a.
  4. Convertir toutes les longueurs en mètres.
  5. Vérifier l'ordre de grandeur (a de l'ordre de 10⁻⁵ à 10⁻⁴ m).

Mesurer un interfrange avec précision

  1. Mesurer la distance couvrant plusieurs interfranges (ex. 10 i).
  2. Diviser par le nombre d'interfranges.
  3. Appliquer i = λD/b.
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Exemple guidé

Un laser de longueur d'onde 650 nm éclaire une fente. Sur un écran placé à 2,00 m, la tache centrale mesure 2,6 cm.

Données

  • λ = 650 nm = 6,50 × 10⁻⁷ m
  • D = 2,00 m
  • L = 2,6 cm = 2,6 × 10⁻² m

Ce qu'on cherche

La largeur a de la fente.

Raisonnement

  1. Le demi-angle se lit géométriquement sur l'écran.
  2. On le relie ensuite à λ et a.

Formules utilisées

θ ≈ L2Dθ = λa

Calculs

θ = 2,6 × 10⁻² / (2 × 2,00) = 6,5 × 10⁻³ rad

a = λ / θ = 6,50 × 10⁻⁷ / 6,5 × 10⁻³ = 1,0 × 10⁻⁴ m

Résultat

a = 0,10 mm

Conclusion

Ordre de grandeur cohérent pour une fente de laboratoire.

La méthode à retenir

Combiner la géométrie de l'écran et la relation de diffraction.
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⚠️ Les erreurs à éviter

✗ Utiliser L au lieu de L/2.

Pourquoi : θ est un demi-angle.

✓ θ = L/(2D).

✗ Laisser λ en nm.

Pourquoi : Mélange d'unités = résultat faux d'un facteur 10⁹.

✓ Tout convertir en mètres.

✗ Confondre a (largeur de fente) et b (écart entre fentes).

Pourquoi : Ils interviennent dans des formules différentes.

✓ a → diffraction ; b → interfrange.

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À retenir

Notions essentielles

  • • Diffraction marquée si a ≈ λ
  • • Interférences : sources cohérentes
  • • δ = kλ brillant ; δ = (k+½)λ sombre

Formules

  • • θ = λ/a
  • • θ ≈ L/(2D)
  • • i = λD/b

Unités

  • • Longueurs en m, angles en rad

Méthodes

  • • Mesurer plusieurs interfranges