observer-cours 3 programme 2012

Les propriétés des ondes

I. Approche historique:

activité 1 P62

II. Le phénomène de diffraction :

1. la diffraction des ondes mécaniques progressives :

expérience de la cuve à onde :Une onde mécanique à deux dimensions change de direction quand elle rencontre une fente fine de largeur a proche de la longueur d'onde incidente.

expérience des ultrasons :

GBF avec émetteur ultrasonore, oscilloscope, gabarit de rapporteur, récepteur ultrasonore.

Une onde sonore à trois dimensions change de direction quand elle rencontre une fente fine de largeur a proche de la longueur d'onde incidente.( rappel : si F =40 kHz, alors λ = 8,5 mm ).

conclusion : Lorsqu'une onde mécanique progressive rencontre un obstacle ou une fente de petite dimension, la propagation de cette onde change de direction, ce phénomène est appelé « diffraction des ondes ».

Le phénomène de diffraction dépend de la longueur d'onde λ de l'onde incidente et de de la dimension a de l'obstacle ; il est d'autant plus marqué que a est voisin ou inférieur à la longueur d'onde λ .

autres exemples : diffraction de la houle ou des vagues.

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2. diffraction des ondes lumineuses :

expérience : laser vert avec fente fine, puis trou circulaire fin.

conclusion : • Une onde lumineuse monochromatique subit le phénomène de diffractionpar des objets de

petite taille. • Les objets difffractants pour les ondes lumineuses sont quasiment toujours de grande taille

devant la valeur de la longueur d'onde λ : a >> λ .( différent des ondes mécaniques!!)

3. L'écart angulaire : définition : La diffraction d'une onde est caractérisée par le demi-grand angle délimitant les premiers minima d'amplitude. Il est noté θ, se mesure en radians et est appelé « écart angulaire ».L'écart angulaire vérifie la relation :

θ=λa avec : θ écart angulaire en radians,

λ longueur d'onde en mètre,a dimension de l'obstacle en mètre.

4. La diffraction en lumière blanche :

En lumière blanche, la superposition des figures de diffraction des différentes radiations est irisée, c'est à dire qu'elle présente les couleurs du spectre de la lumière blanche.

5. Etude expérimentale :

cf TP observer 4 – le phénomène de diffraction.

6. exercices :

exercice 18 P 78exercice 20 P 78-79exercice 33 P 83

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III. Le phénomène d'interférences :

1. Les interférences des ondes mécaniques :

expérience avec cuve à ondes

expérience avec réflexion :

mise en évidence de la superposition constructive des ondes

expérience avec deux sources :

mise en évidence de la superposition constructive des ondes

2. Les interférences des ondes lumineuses :

Par analogie avec les ondes mécaniques, deux faisceaux de lumière issus d'une même source laser passant par deux ouvertures étroites, engendrent un phénomène d'interférences.

définition :

Lorsque deux ondes monochromatiques de même nature se superposent, l'amplitude de l'onde résultante varie dans l'espace : c'est le phénomène d'interférences. On observe des franges d'interférences.

Deux cas de figure :

Si on modélise une onde lumineuse monochromatique par une fonction sinusoïdale, la superposition de deux ondes moncohromatiques de même nature peuvent créer deux cas de figure :

• les sommets et les creux coïncident, les ondes sont en phase et les amplitudes se rajoutent : c'est le cas d'interférences constructives.

• les sommets et les creux sont en opposition, les ondes sont en opposition de phase et les amplitudes s'annulent : c'est le cas d'interférences destructives.

3. étude expérimentale :

cf TP observer 5 – notion d'interférences.

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bilan : • l'interfrange i est la distance séparant deux franges brillantes ou deux franges sombres.• on observe des interférences constructives quand la différence de marche est δ = k.λ • on observe des interférences destructives quand la différence de marche est δ = (k+1/2).λ • l'interfrange i est liée au dispositif par la relation :

avec λ en mètre, D en mètre, b en mètre et i en mètre.

4. exemples d'application :

• Détermination du pas d'un réseau : Un réseau de diffraction est constitué d'une multitude de fentes juxtaposées séparées d'une distance b.

mesures effectuées avrec réseau neuf à 140 traits.mm-1

D =2,00 m ; i=18,6 cm ; λ =650 nm.d'où : b =6,99.10-6 m soit : 1/b = 143 000 traits.m-1.

possibilité d'un calcul d'incertitude.

• La découverte de la forme hélicoïdale de la molécule d'ADN. (document à fournir)

• Le casque anti-bruit :principe du tube de Kundt ( expérience tube de Kundt, GBF , petit HP, fils, micro à électret avec amplification ; réglages GBF : 440 Hz, 20V )

5. exercices :

exercice 16 P 77exercice 23 P 80exercice 24 P 80exercice couche anti-reflet (simple )

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figure obtenue par un réseau de diffraction par réflexion

principe d'un réseau de diffraction.

i=λ∗Db

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6. exemples naturels :

Interference between wave fronts producted by the wakes of two boats: a) River Thames, London, England, 11/06/2006, coordinates: 51 0 27 ′ 40.79” N, 0 0 16 ′ 05.69” E.

IV. L'effet Doppler :

1. expérience :

Mise en évidence par le buzzer avec cordelette.

On perçoit une modification dela fréquence sonore :le son est plus aïgu (niveau plus haut ) quand la source se rapproche et est plus grave ( niveau plus bas ) quand la source s'éloigne.

2. étude expérimentale :

cf TP observer 5 -effet Doppler

3. principe :

simulation doppler.exe + cuve à ondes

La variation de fréquence apparente avec la vitesse de la source ( ou de l'observateur ) a été étudié par le physicien autrichien Doppler (1803 – 1853 ).A la même époque, le physicien français Fizeau ( 1819 – 1896 ) étudiait le même phénomène avec des sources lumineuses.

La variation de fréquence est telle que :quand la source ( ou observateur ) se rapproche :

f obs= f s( 1

1−vs

v0) avec :{ f obs : fréquence perçue par l ' observateur en Hz

f s: fréquenceémise par la source en Hzvs: vitesse de la source enm.s−1

vs: vitesse de l ' onde enm.s−1 }on constate que : f obs> f 0

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quand la source ( ou observateur ) s'éloigne:

f obs= f s( 1

1+vs

v0) avec :{f obs : fréquence perçue par l ' observateur en Hz

f s : fréquence émise par la source en Hzv s: vitesse de la source enm.s−1

v s: vitesse de l ' onde enm.s−1 }on constate que : f obs< f 0

4. applications à l'astrophysique :

exercice sur la vitesse de rotation de Jupiter : document à fournir

5. exercices :

les ailes du colibri ex 30P8227 P 8132P83exercice bac « le cinémomètre »

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