chp3: modèle ondulatoire de la lumière

CHP3: MODÈLE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE

I: Qu’est-ce que la lumière?

Voir activité documentaire historique

CHP3: MODÈLE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈRE

I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.

Exemple de figures de diffraction

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil

Diffraction par une fente ou un fil : voir TP

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Grand axe de la fente

θ

D

Laser

Rayon lumineuxI: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil

On observe un éparpillement de la lumière, alternativement des zones sombres et des zones brillantes autour d’une tache centrale.

A la rencontre d’une ouverture ou un objet de petite taille, les ondes lumineuses sont diffractées : il y a modification de la direction de propagation et de l’intensité lumineuse. Le principe de propagation rectiligne de la lumière n’est plus valable.

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) Conclusion

Conclusion: la diffraction est caractéristique de tous les phénomènes ondulatoires.On en conclue que la lumière a une nature ondulatoire

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.

L’onde lumineuse résulte de la propagation d’une perturbation électromagnétique (champ électrique et magnétique) dans les milieux transparents.

Les ondes lumineuses sinusoïdales sont appelées des radiations.

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le

vide

La célérité de l’onde lumineuse dans le vide est une constante universelle notée c

c=3,00 .108 m.s-1

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.

Une radiation lumineuse est caractérisée par :•   Sa fréquence ν (en Hz) ou sa période T

(en s).• Sa longueur d’onde dans le vide λ.

La fréquence d’une onde ne change pas lorsque l’onde passe d’un milieu transparent à un autre contrairement à la longueur d’onde.

Remarque: A chaque valeur de fréquence, l’œil associe une sensation de couleur.

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λ

c

Tc .

Avec :λ longeur d’onde dans le vide (en m)c célérité de la lumière dans le vide (en m.s-1)ν fréquence de la radiation lumineuse (en Hz)T période de la radiation (en s)

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λ

Lumière monochromatique :Une radiation lumineuse, de fréquence donnée (ou de longueur d’onde dans le vide donnée) est dite monochromatique.Exemple : laser rouge (λ= 650 nm)

Lumière polychromatique : une lumière polychromatique est composée d’un ensemble d’ondes monochromatiques de longueurs d’onde différentes.

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λ

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats

La largeur de la tache centrale dépend:• De la longueur d’onde λ de la lumière

incidente. Quand la longueur d’onde de la lumière incidente diminue, la largeur de la tache centrale diminue.

• De la largeur a de la fente (ou de l’épaisseur du fil). Lorsque la largeur de la fente diminue, la largeur de la tache centrale augmente.

• De la distance D de l’objet diffractant à l’écran. Lorsque D augmente, la largeur L de la tache augmente aussi.

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire

a: dimension caractéristique de l’ouverture (ou du fil) λ : longueur d'onde de la radiation dans le vide (m) : écart angulaire ( en rad ) entre le milieu de la tache centrale et la 1ère extinction . d : largeur de la tache centrale D : distance ouverture (ou fil)-écran 

d/2

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I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire

θ :   écart angulaire est l’angle sous lequel est vue la moitié de la tache centrale depuis l’objet diffractant. C’est le demi-diamètre angulaire de la tache centrale.

On admet que si D est grand devant d on a : θ = λ / a

d/2

CHP3: MODÈLE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈREI: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire3) Détermination

expérimentale de λ

22

dd

tgD D

D’après le schéma ci-contre:

θ est petit , on peut donc écrire que tanθ ~ θ

2

2

d

a D

Dd

a

oùd' or 2 aD

d

d/2

CHP3: MODÈLE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈREI: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire3) Détermination

expérimentale de λV: Propagation d’une onde lumineuse dans un milieu transparent.4) Fréquence et

changement de milieu

La couleur d’une radiation lumineuse, comme la fréquence qui la caractérise, ne dépend pas du milieu de propagation et n’est pas modifiée par changement de milieu transparent.

CHP3: MODÈLE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈREI: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire3) Détermination

expérimentale de λV: Propagation d’une onde lumineuse dans un milieu transparent.4) Fréquence et

changement de milieu5) Indice de réfraction

La célérité v d’une onde lumineuse dans un milieu transparent est liée à l’indice de réfraction n de ce milieu par la relation :

                             n  : indice de réfraction du milieu transparent ( sans unité )

n = c / v    avec   c  : célérité de l'onde dans le vide (en m.s-1)                             v  : célérité de l'onde dans le milieu

transparent (en m.s-1)

CHP3: MODÈLE ONDULATOIRE DE LA LUMIÈREI: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire3) Détermination

expérimentale de λV: Propagation d’une onde lumineuse dans un milieu transparent.4) Fréquence et

changement de milieu5) Indice de réfraction6) Dispersion de la lumière

Décomposition de la lumière blanche par un prisme

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• Les milieux transparents sont en général dispersifs : la célérité d’une radiation dépend de sa fréquence.

• Il en est donc de même pour l’indice de réfraction du milieu , n=c/v.

• Chaque radiation subit donc une déviation différente.

• La décomposition de la lumière par un prisme est un phénomène de dispersion des ondes.

Interprétation de la décomposition de la lumière blanche

I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.1) Diffraction par une fente ou un fil2) ConclusionIII: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation lumineuse a)Fréquence d’une onde lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λIV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1) Résultats2) Écart angulaire3) Détermination

expérimentale de λV: Propagation d’une onde lumineuse dans un milieu transparent.4) Fréquence et

changement de milieu5) Indice de réfraction6) Dispersion de la lumière

FIN

I: Qu’est-ce que la lumière?II: mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière.

1) Diffraction par une fente ou un fil2) Conclusion

III: Propagation de la lumière dans le vide.1) Célérité dans le vide2) Caractéristiques d’une radiation

lumineuse a)Fréquence d’une onde

lumineuse.b)Longueur d’onde dans le vide λ

IV: Exploitation de l’expérience de diffraction.1)Résultats2)Écart angulaire3)Détermination expérimentale de λ

V: Propagation d’une onde lumineuse dans un milieu transparent.

4)Fréquence et changement de milieu5)Indice de réfraction6)Dispersion de la lumière