la diffraction
DESCRIPTION
La diffraction. Chapitre 7. Points essentiels. Diffraction de Fresnel (section 7.1) Diffraction de Fraunhofer (section 7.2) Interférence et diffraction combinées (section 7,2). Figure de diffraction. La nature ondulatoire de la lumière révélée par une simple lame de rasoir. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
La diffractionLa diffractionChapitre 7Chapitre 7
1
Points essentiels Diffraction de Fresnel (section 7.1)
Diffraction de Fraunhofer (section 7.2)
Interférence et diffraction combinées (section 7,2)
2
3
Figure de diffraction
La nature ondulatoire de la lumière révélée par une simple
lame de rasoir.
4
Diffraction de FresnelSi la source ou l’écran se
trouve près de l’ouverture ou de l’obstacle, les fronts d’onde sont sphériques et la figure est assez complexe. C’est ce que l’on appelle la diffraction de
Fresnel. Une partie de la lumière pénètre dans la région d’ombre géométrique et l’on observe des franges près des
bords de l’obstacle.
Encore une controverse au
sujet de la nature de la lumière
En 1819, l'Académie des sciences de Paris mettait au concours la question de la diffraction de la lumière.
Augustin Fresnel, un jeune provincial, proposa dans son
mémoire une solution qui nous est aujourd'hui familière, fondée sur
l'hypothèse d'une lumière constituée d'ondes qui interfèrent entre elles.
5
Poisson vs FresnelLa commission était
malheureusement constituée de partisans de la théorie corpusculaire
et non pas ondulatoire de la lumière, théorie qui dominait en France autour de Pierre Simon
Laplace et qui était placée sous l'ombre tutélaire du grand Isaac Newton. Lors de l'examen des
propositions, Siméon Denis Poisson, mathématicien et membre de la
commission, développa un argument dévastateur pour Fresnel
6
L’argument de Poisson
Il déduisit en effet de la théorie de Fresnel que, si l'on plaçait un disque opaque derrière un petit trou à travers lequel émergeait
de la lumière, le centre de l'ombre créée par le disque
devrait être aussi brillant que s'il n'y avait pas de disque. Or le
sens commun, auquel se rangeait Poisson, savait que
l'ombre créée par le disque était homogène, et en tout cas sans point lumineux en son centre.
7
Arago tenta l’expérience
Curieux du résultat, François Arago, lui
aussi membre de la commission, tenta
néanmoins l'expérience... et
8
9
Le résultat !… et découvrit le point lumineux au centre de
l'ombre ! Prise au dépourvu par cette preuve inattendue, la commission attribua le prix au jeune
Fresnel, et la théorie corpusculaire de la lumière fut abandonnée pour près
d'un siècle.
10
La diffraction
de Fraunhofer
Si la source et l’écran sont tous deux éloignés de l’ouverture
ou de l’obstacle, la figure obtenue est plus simple à
analyser. La lumière incidente a la forme d’une onde plane et
les rayons sortant de l’ouverture sont parallèles.
C’est ce qu’on appelle diffraction de Fraunhofer
(ou diffraction à l’infini).
Étude qualitative Lors de l’étude de l’interférence à 2 fentes
(ou plus), nous avons supposé qu’il s’agissait de fentes étroites. Ainsi l’intensité due à une fente était la même Io pour tous les points P sur l’écran, peu importe l’angle d’observation .
Si la fente n’est pas étroite, mais possède une largeur a, l’intensité sur l’écran n’est pas indépendante de l’angle mais décroît à mesure que l’angle augmente.
11
Observation
12
Intensité
1. La majeure partie de la lumière est concentrée dans le maximum central lorsque sin varie de –/a à + /a .
2. Le premier minimum apparaît lorsque sin = /a .
3. La largeur du maximum central décroît si a augmente.
13
La diffraction et le principe d’HuygensLe premier minimum apparaît
lorsque l’onde lumineuse émise par le haut de la fente et celle
émise par un point situé juste en dessous du milieu de la fente sont
déphasées de .
En utilisant le principe d’Huygens, on divise la largeur de la fente en
100 sources secondaires. Le premier minimum apparaît lorsque la première source et la 51ième sont déphasées de . Ainsi la 2ièmeet la 52ième sont également déphasées
de . On peut parler d’interférence destructive si :
a sin = M (M = 1, 2, 3…)
La position du premier minimum sur l’écran
14
Écran
Pour des petits angles:
La position du premier minimum:
Ainsi, le premier minimum se retrouve à une distance y du centre de l’écran:
tan =
yL
tan ≈sin
sin =
a
y =
La
Exemple
15
Un faisceau laser = 700 nm traverse une fente étroite de 0,2 mm de largeur et frappe un écran situé à 6 m de cette fente. Calculez la largeur du maximum central, c’est-à-dire, la distance entre le premier minimum à droite du centre de l’écran et celui à gauche l’écran.Solution
Position du premier minimum:
La largeur du maximum central:
2 ×y=4,2cm
y =
La
=6m×700nm
0,0002m=2,1cm
Interférence et diffraction combinées
Dans la description de l’expérience de Young, nous n’avons pas tenu compte de la figure de diffraction
produite par chaque fente. Si l’écran est très éloigné, les fentes
produisent des figures de diffraction qui se superposent. On
observe la figure de diffraction d’une fente simple avec des
maxima d’intensité plus élevée. On dit que la figure d’interférence a
pour enveloppe la figure de diffraction produite par une fente
simple.
16
Exercice 6 (page 262)
17
Dans l’expérience de Young, la largeur des fentes est de 0,15 mm et la distance entre les fentes est de 0,6mm. Combien de franges brillantes complètes observe-t-on dans le maximum central de diffraction ?
Exemple
18
Calculez le rapport d/a de la figure ci-dessous.
Travail personnel Faire les exemples 7.1 et 7.2
Répondre aux questions 1 et 6.
Solutionner les exercices: 1, 2 et 6.
Aucun problème
19