dualité onde - particule

|Thème: COMPRENDRE- Lois et modèles |
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|Type de ressources: Textes scientifiques - vidéos - activités - |
|simulation d'expériences. |
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|Notions et contenus: |
|Energie, matière et rayonnement ; dualité ondes-particule ; temps et |
|relativité restreinte |
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|Compétence travaillée ou évaluée: |
|Identifier un problème |
|Rechercher, extraire et organiser l'information utile |
|Mobiliser ses connaissances |
|Exercer son esprit critique |
|Communiquer à l'oral et à l'écrit |
|Maîtriser les compétences langagières (français, LE) |
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|Nature de l'activité: |
|Photon et onde lumineuse |
|Particule matérielle et onde de matière- relation de Broglie |
|Résumé (en 5 lignes au plus): |
|Du photon à l'onde lumineuse, il n'ya qu'un pas. |
|La lumière présente des aspects ondulatoire et particulaire. |
|L'aspect onde- particule est généralisé. |
|Ils ont très souvent été en compétition pour l'interprétation de la |
|lumière. |
|Les faits expérimentaux ont montré que la lumière avait finalement ces |
|deux aspects. |
|Louis de Broglie, sur la base des résultats d'Einstein, a généralisé le|
|principe de dualité à toute particule matérielle. |
|Mots clefs : Période, fréquence, longueur d'onde, diffraction, |
|interférence, dualité onde particule, Louis de Broglie |
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|Académie où a été produite la ressource : Académie de Strasbourg |
| | Sciences Physiques - Chimiques Terminale scientifique-Comprendre Table des matières 1. Photon et onde lumineuse 1
2. Particule matérielle et onde de matière - relation de Broglie 1
3. Paricule matièrielle et onde de matière.
4. Relation de Broglie
DUALITE ONDE - PARTICULE
1. Photon et onde lumineuse
1.A. Caractérisations de l'onde. 1.A.a. Onde et Expériences d'interférence et de diffraction 1.A.a.1. Ondes Une onde est une « vibration » qui se propage (voir le lien
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/onde_sonore_plane.swf) et qui peut
être représentée par une fonction sinusoïdale. Imaginez, par exemple, une
personne qui agite horizontalement une corde avec son bras. Cette dernière
sera le siège d'une onde mécanique et prendra un profil sinusoïdal. L'état
vibratoire d'un point M de la corde (hauteur par rapport au sol) sera
fonction du temps et de la position de M. Si on photographie la corde
(c'est-à-dire que l'on a « figé »le temps), on pourra mesurer sur la
photographie de la corde la plus petite distance qui sépare de points de
cette dernière dans le même état vibratoire. Cette distance est la longueur
d'onde ? (période spatiale). Maintenant on regarde un point de la corde et
on cherche au bout de combien de temps on reverra ce point dans le même
état vibratoire. Ce temps est la période T (période temporelle). C'est
l'inverse de la fréquence N.
La période spatiale ou la longueur d'onde et la période temporelle T sont
reliées par la vitesse de l'onde ou célérité V par la relation [pic].
Schématisez l'expérience décrite ci-dessus ; en déduire la relation entre
la fréquence et la longueur d'onde.
[pic][pic]
Sources : http://www.afblum.be/bioafb/chloropl/chloropl.htm et
http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-
donde_4575/ 1.A.a.2. Phases expérimentales
Notion d'onde :
Deux « signatures » ou conséquences inhérentes des ondes sont les
« interférences » et la « diffraction ». Ceux-ci sont des phénomènes
observables. Cela implique que si un « phénomène inconnu » interfère ou
diffracte, il sera alors possible de le représenter par une onde. . Interférences
Animations :
http://subaru.univ-
lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optiphy/interf3.html
http://www.discip.ac-
caen.fr/phch/lycee/terminale/interferences_eau/interference.htm En étudiant le lien :
http://www.discip.ac-
caen.fr/phch/lycee/terminale/interferences_eau/interference.htm
- Comment varie la distance (mesurée suivant la verticale) entre deux
franges i lorsque l'on modifie la distance entre les deux sources a.
Vérifiez que i est inversement proportionnel à a.
- Comment varie la distance (mesurée suivant la verticale) entre deux
franges i lorsque l'on modifie la longueur d'onde ? des ondes émises par
les deux sources a. Vérifiez que i est inversement proportionnel à ?.
-Comment varie la distance entre deux franges i (mesurée suivant la
verticale) lorsqu'on s'éloigne suivant l'horizontale de l'axe des deux
sources. On appellera D la distance entre l'axe des sources et la verticale
de la meure de i.
- Monter que la relation [pic] rend compte de vos constatations.
On appelle i interfrange. . Diffraction
Animations :
http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/flash/diffractionslit.swf http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/diffraction/eau/diffraction.htm
En étudiant le lien :
http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/diffraction/eau/diffraction.htm
- Comment sont les zones qui délimitent l'angle ?. (il y a extinction)
- Comment varie l'angle ? lorsque l'on modifie l'ouverture a.
- Comment varie l'angle ? lorsque l'on modifie la longueur d'onde ?. 1.B. La lumière 1.B.a. Faits expérimentaux de la lumière
[pic] [pic]
En regardant une source lumineuse, que se passe-t-il quand vous fermez
doucement vos paupières, pouvez vous voir un rayon lumineux issu de cette
source ? - D'après les deux photographies et après avoir essayé d'isoler un rayon
lumineux de la source, que pouvez vous en conclure quant à la nature la
lumière ? - Confirmez votre choix en visitant les liens suivants :
Interférences http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/interference/interference.htm
Diffraction lumineuse http://gilbert.gastebois.pagesperso-
orange.fr/java/diffraction/diffraction.html - Vérifiez que les constatations faites pour les interférences et la
diffraction des ondes mécaniques se retrouvent pour la lumière.
- Visualisez et vérifiez que la symétrie du motif de diffraction se
retrouve dans la figure de diffraction. 1.B.b. Conclusion La lumière INTERFERE ET DIFFRACTE, c'est une onde de vitesse ou une onde de
célérité dans le vide (2,998 108 m/s).
(Pour l'onde, l'énergie est proportionnelle au carré de l'amplitude (de la
sinusoïde)).
2. Dualité Particule matérielle et onde de la lumière
2.A. L'effet photoélectrique 2.A.a.. Expérience sur l'effet photoélectrique Visiter les liens suivants :
http://www.youtube.com/watch?v=YQL2Q5ZArjs&feature=related : expérience
http://www.youtube.com/watch?v=CmxAXqDJDdM&feature=related symbolisation
musicale de l'expérience
http://www.youtube.com/watch?v=0qKrOF-gJZ4&feature=related interprétation
de l'expérience 2.A.b. Mise en évidence du seuil en fréquence On constate expérimentalement
- que sous un certain seuil en fréquence il ne se produit pas de courant
électrique quelle soit l'intensité lumineuse.
- le caractère instantané du signal. (L'énergie est concentrée dans un
grain de lumière tandis que celle de l'onde doit « imprégner le métal », ce
qui demande un délai temporel). 2.A.c. Autre forme de l'aspect énergétique du la lumière Pour rendre compte de l'effet électrique, il faut écrire que l'énergie est
proportionnelle à la fréquence N de l'onde lumineuse via la relation :
[pic] avec [pic] qui est appelée constante de Planck. Cette énergie est
concentrée dans des grains de lumière sans masse. - Calculer ces énergies pour ?= 600 nm, 0.5 nm, 1 fm ; conclure. 2.A.b. Dualité. L'effet photoélectrique est une preuve de la dualité onde particule de la
lumière. Les particules de lumière sont appelées photons. Le photon n'a pas
de masse donc son énergie s'écrit avec la formule relativiste : [pic] dans
laquelle c est la vitesse de la lumière (2,998 108 m/s) et p la quantité de
mouvement. - Trouver la relation entre E, c et ?.
- Montrer qu'il existe une relation simple liant p, h, ?.
La relation [pic] est révélatrice la dualité onde particule de la lumière.
C'est la démarche onde vers particule d'Einstein pour la lumière.
3. Particule matérielle et onde de matière - relation de Broglie
3.A. Faits expérimentaux
3.A. Découverte de l'électron En 1897, Thomson prouve expérimentalement l'existence des électrons, qui
avait été prédite par George Johnstone Stoney en 1874. Cette découverte est
le résultat d'une série d'expériences sur les rayons