Ondes partie 3 - Propriétés des ondes (1ère partie) - Pegase

Chapitre 3 - Propriétés des ondes
1er volet : la diffraction


Activité 1 - Fente ou obstacle sur le trajet d'une onde périodique

But de l'activité
Introduire la diffraction avec une onde lumineuse passant par une fente
puis généraliser la diffraction comme une propriété caractéristique des
ondes en général.
Compétences travaillées
|Compétences du BO |Commentaire |
|***|Identifier les situations physiques où|Activité d'introduction de |
| |il est pertinent de prendre en compte |la diffraction Cette |
| |le phénomène de diffraction |activité se termine par la |
| | |lecture du modèle qui |
| | |présente la diffraction |
| | |comme une propriété des |
| | |ondes et qui donne les |
| | |conditions de diffraction, |
| | |puis par la mise en ?uvre du|
| | |modèle. |
|** |Savoir que l'importance du phénomène | |
| |de diffraction est liée au rapport de | |
| |la longueur d'onde aux dimensions de | |
| |l'ouverture ou de l'obstacle | |


Préparation (matériel)
Passage d'un faisceau de lumière laser par une fente
Cuve à ondes : ondes circulaires et rectilignes passant par une ouverture,
ondes rectilignes rencontrant un obstacle.

Questions
On fait passer un faisceau de lumière laser par une fine fente verticale.
1. Prévision : sur le schéma suivant, représentant la situation vue de
dessus, représenter le faisceau lumineux après le passage de la lumière par
la fente.
[pic]
Réalisation de l'expérience. Observation.
2. Avec une autre couleur, modifier votre schéma si besoin.

On pose maintenant dans une cuve à onde deux obstacles qui forment une
ouverture, jouant le rôle de la fente de la situation précédente, comme
schématisé dans la situation ci-contre.
3. Prévision : prévoir ce qu'il va se passer en représentant les vagues
après la fente sur le schéma.

Réalisation de l'expérience. Observation.

4. Avec une autre couleur, modifier votre schéma si besoin.
Toujours dans la cuve à onde, les vagues produites vont rencontrer un
obstacle.
5. Après observation, compléter le schéma ci-contre.
Dans le modèle, lire le paragraphe .... « Propriétés des ondes : la
diffraction »
6. A l'aide du modèle et en faisant une analogie avec ce que l'on vient de
voir pour les ondes dans la cuve à onde, prévoir ce qu'il va se passer pour
la lumière lorsqu'elle rencontre un fil fin sur son trajet.
Réalisation de l'expérience.

7. Confronter votre prévision avec l'expérience.




Activité 2 - Influence de la taille de l'ouverture sur le phénomène de
diffraction

But de l'activité
Etudier, qualitativement et quantitativement, l'influence de la largeur de
la fente (ou du fil) sur la figure de diffraction d'une onde lumineuse.
Compétences travaillées
|Compétences du BO |Commentaire |
|***|Identifier les situations |Mêmes situations que celles de |
| |physiques où il est pertinent de |l'activité précédente. |
| |prendre en compte le phénomène de| |
| |diffraction | |
|** |Savoir que l'importance du | |
| |phénomène de diffraction est liée| |
| |au rapport de la longueur d'onde | |
| |aux dimensions de l'ouverture ou | |
| |de l'obstacle | |
|* |Connaître et exploiter la | |
| |relation ? = ?/a | |


Préparation (matériel)
Cuve à ondes : ondes rectilignes passant par une ouverture dont on fait
varier la largeur.
Passage d'un rayon laser par une fente dont on fait varier la largeur (ou
sur un obstacle de taille différente)

Questions
On pose dans la cuve à onde une ouverture en forme de fente. On observe la
diffraction des ondes par la fente. On fait varier la largueur de la fente.
Réalisation
1. Qu'observe-t-on lorsque la largeur de l'ouverture diminue ?
2. Par analogie, prévoir l'évolution de la largeur de la tache centrale de
diffraction de la lumière du laser lorsque la taille de l'ouverture
diminue.
Réalisation de la même expérience avec le laser et un obstacle ou une
fente.

3. Confronter votre prévision aux observations effectuées.

Dans le modèle, lire le paragraphe ... « Relation entre l'ouverture
angulaire du faisceau, la largeur de la fente et la longueur d'onde »

4. A partir du schéma du modèle représentant la figure de diffraction,
exprimer tan? en fonction de d et D.
5. On peut considérer que ici que tan ? = ? car l'angle est faible (? <
10°). En déduire l'expression de d en fonction de D, a et ?.
6. Vérifier l'accord entre cette relation et les observations
expérimentales effectuées en question 3.
7. (optionnelle) Utiliser la relation obtenue à la question 5 pour prévoir
la figure observée si la fente est éclairée avec une lumière blanche. Faire
un schéma.

Activité 3 - Étude expérimentale du phénomène de diffraction dans le cas
des ondes lumineuses

But de l'activité
Pratiquer une démarche d'investigation et utiliser le phénomène de
diffraction pour déterminer la longueur d'onde d'un laser. Evaluer
l'incertitude du résultat obtenu.

Compétences travaillées
|Compétences du BO |Commentaires |
|***|Identifier les situations |Ré-investissement des notions |
| |physiques où il est pertinent de |concernant la diffraction par une|
| |prendre en compte le phénomène de|démarche d'investigation. |
| |diffraction | |
|** |Savoir que l'importance du | |
| |phénomène de diffraction est liée| |
| |au rapport de la longueur d'onde | |
| |aux dimensions de l'ouverture ou | |
| |de l'obstacle | |
|* |Connaître et exploiter la | |
| |relation ? = ?/a | |
|* |Pratiquer une démarche | |
| |expérimentale visant à étudier ou| |
| |utiliser le phénomène de | |
| |diffraction dans le cas des ondes| |
| |lumineuses | |
| |Identifier les différentes |Compétences transversales sur les|
| |sources d'erreur (de limites à la|mesures et les incertitudes. |
| |précision) lors d'une mesure : | |
| |variabilités du phénomène et de | |
| |l'acte de mesure (facteurs liés à| |
| |l'opérateurs, aux instruments, | |
| |etc.). | |
| |Evaluer et comparer les | |
| |incertitudes associées à chaque | |
| |source d'erreur. | |
| |Évaluer l'incertitude d'une | |
| |mesure unique obtenue à l'aide | |
| |d'un instrument de mesure. | |
| |Maitriser l'usage des chiffres | |
| |significatifs et l'écriture | |
| |scientifique. Associer | |
| |l'incertitude à cette écriture. | |
| |Exprimer le résultat d'une | |
| |opération de mesure par une | |
| |valeur issue éventuellement d'une| |
| |moyenne et une incertitude de | |
| |mesure associée à un niveau de | |
| |confiance. | |
| |Évaluer la précision relative. | |

Préparation (matériel)
Diffraction d'un faisceau de lumière laser par une fente et/ou un cheveu.
Prévoir un laser par binôme.

Questions
Comment déterminer expérimentalement la longueur d'onde de la lumière
émise par une diode laser?

I. Première mesure
1. Avec le matériel disponible, réaliser une expérience utilisant la
diffraction pour déterminer la longueur d'onde de la lumière émise par le
laser.
2. Noter brièvement par quelques phrases le protocole suivi, les valeurs
des mesures effectuées et le résultat obtenu pour la longueur d'onde.

Note - On demande ici à l'élève de faire l'expérience avant la rédaction du
protocole parce que c'est comme cela que l'on procède, nous aussi, quand on
veut mettre une manip au point ou faire une mesure.

II. Travail sur la précision de la mesure
1. Identifier les sources d'erreurs possibles et les limites à la précision
de la mesure de longueur d'onde.
2. Évaluer l'incertitude associée à chaque grandeur intervenant dans la
déterminatio