CR TP ondes lumineuses

RENARD Stanislas                                                                 24 septembre 2021

HUANG Justin                                                        Enseignant : CHELIN Pascale

L2 S3 Groupe BS5

TP1 de Sciences Physiques :

 Instrumentation physique sur les ondes lumineuses 

1. Introduction :

Ce TP a pour but d’étudier les ondes lumineuses. Dans un premier temps, nous nous intéresserons au phénomène de diffraction puis la seconde partie sera dédiée à l’analyse spectrale de la lumière.

Avant tout, le phénomène de diffraction se produit quand une onde rencontre un obstacle ou une fente dont les dimensions sont de l’ordre ou inférieures à la longueur d’onde de l’onde. 

Pour être mise en évidence clairement, la taille de l’élément diffractant que rencontre l’onde doit avoir une taille caractéristique relativement petite par rapport à la distance à laquelle l'observateur se place. Si l’observateur est proche de l'objet, il observera l’image géométrique de l’objet : celle qui nous apparaît habituellement. La diffraction des particules de matière, c’est-à-dire l'observation des particules de matière projetées contre un objet, permet de prouver que les particules se comportent aussi comme des ondes.

Pour examiner ce phénomène, il nous faut d’abord réaliser un montage composé d’un écran, d’une fente réglable et d’une diode laser, celle-ci choisit en raison de ses différentes propriétés:  

 – la lumière est monochromatique (constituée d’une seule longueur d’onde)

 – la lumière est directive : le faisceau lumineux se propage dans une seule direction

 – la lumière est cohérente : les ondes émises sont en phase.

Nous aborderons par la suite l'expérience des fentes de Young et également l’étude quantitative de la diffraction avec un capteur CCD.

Afin de nous aiguiller dans notre réflexion tout au long de ce TP quelques éléments portant sur la théorie ondulatoire ou encore différentes indications sur les interférences nous ont été fournis, que ce soit en annexe, ou évoqué à l'oral durant les manipulations.

On parle d’interférence lorsque la superposition de deux ondes ou plus conduit à une intensité́ lumineuse qui est différente de la somme des intensités de chacune des ondes prises séparément.

Pour observer ces interférences, il faut que les ondes soient de même fréquence.

L’observation des interférences est  également liée à la différence de phase des ondes.

D’autres informations abordant les incertitudes relatives par exemple ont également été mentionnées en début de séance. L’analyse spectrale de la lumière quant à elle, sera étudiée à l’aide d’un spectromètre à prisme et d’un spectromètre à réseau de diffraction.

1. Matériel et méthodes :

Pour l’expérience A, nous mettons en place un dispositif composé d’un laser, d’une fente réglable et d’un écran, le tout placé sur un banc optique gradué. Le laser, en traversant la fente, nous permettra d’étudier qualitativement sa figure de diffraction.

[pic 1]

Par la suite, nous utiliserons pratiquement le même dispositif en remplaçant la fente réglable par deux fentes de 0,3 mm disposées l’une après l’autre.[pic 2]

1 : écran 2 : Fentes de 0,3 mm 3 : laser

Enfin, nous mettons en place un nouveau dispositif. Celui-ci est toujours composé d’une source lumineuse et d’une fente, mais on remplace l’écran par une caméra CDD reliée à un ordinateur exécutant le logiciel Caliens. Celui-ci nous permettra de déterminer la longueur d’onde de notre laser.

[pic 3]

        Concernant l’expérience B, nous utilisons tout d’abord un dispositif composé d’un prisme et d’un spectromètre à prisme qui nous permettra d’observer les spectres d’émissions des différentes sources de lumières étudiées. Ensuite nous changeons de dispositif et nous utilisons une fibre optique et spectromètre OVIO II branché à un ordinateur. Nous utiliserons comme source de lumière, une lampe au sodium, une lampe à Mercure et enfin les néons de la salle. Enfin, le logiciel Esaostudio nous permettra de visualiser le spectre d’émission des lumières étudiées.

1. Résultats :

Affichage de notre mesure du laser par le logiciel Caliens :

        [pic 4]

Courbe de Xn en fonction de n

[pic 5]

Graphique comparant les spectres d’émission de la lampe à Mercure et

[pic 6]des néons de la salle

Spectre d’émission du sodium

[pic 7]

1. Discussion et interprétations des résultats :

Expérience A :

1. Etude qualitative de la diffraction par une fente réglable

On observe que plus on élargit la fente plus les minimas (franges sombres) se rapprochent et sont plus petits. Également, lorsqu’on augmente la distance entre la source lumineuse et l’écran, les minimas sont plus grands, s’éloignent et sont moins nombreux. Ces observations sont en cohérence avec la formule :  où  est la largeur de la fente est en diviseur.[pic 8][pic 9]

Lorsqu’on tourne notre fente verticale de manière horizontale, la diffraction se fait verticalement, à l’inverse, lorsque la fente est tourné verticalement, l’image est horizontale. L’image et la fente sont donc perpendiculaires.  

1. Expérience des fentes d’Young

Le laser, en traversant les fentes, donne une figure de diffraction différente de la première expérience. En effet, on distingue plus de maximas séparés d’une distance plus courte au centre. On observe également que ces maximas sont de forme circulaire. Ces observations sont dues aux interférences que créent le laser en passant à travers les deux fentes. Cette expérience permet de prouver que la lumière est bien de nature ondulatoire.