Thème : Observer Chap.3 :Propriétés des ondes (Diffraction – Interférences - Effet Doppler) Physique - Chap.3

Onde diaphragmée ou onde diffractée Diffraction Onde diaphragmée ou onde diffractée Si la dimension de l’obstacle ou de l’ouverture a est grande par rapport à la longueur d’onde, l’onde est simplement diaphragmée (elle a même fréquence, même longueur d’onde et même direction de propagation avant et après l’obstacle).

Onde diaphragmée ou onde diffractée Diffraction Onde diaphragmée ou onde diffractée Si la dimension de l’obstacle ou de l’ouverture a est petite par rapport à la longueur d’onde, l’onde est diffractée (elle a même fréquence, même longueur d’onde et direction différente de propagation avant et après l’obstacle).

Définition de la diffraction La diffraction est une propriété caractéristique des ondes (mécaniques ou lumineuses) Si l’onde rencontre un obstacle ou une ouverture de petite dimension devant la longueur d’onde alors les directions de propagation changent. Plus la dimension de l’obstacle ou de l’ouverture est petite, plus la diffraction est importante.

Diffraction des ondes lumineuses La diffraction la diffraction peut encore être observée avec des obstacles ou des ouvertures dont la dimension peut atteindre jusqu’à 100 fois la longueur d’onde. Diffraction par une ouverture carrée

Diffraction des ondes lumineuses On définit l’écart angulaire  de diffraction comme l’angle sous lequel on voit, depuis l’obstacle, la demie tache centrale de diffraction Dans le cas d’un obstacle ou d’une ouverture rectangulaire (fente ou fil par exemple), l’écart angulaire est tel que  = /a

Diffraction des ondes lumineuses Source : http://guy.chaumeton.pagesperso-orange.fr/scphysiques2010/tsph03c.htm Figure de diffraction par une ouverture circulaire Dans le cas d’un obstacle ou d’une ouverture circulaire (trou ou point par exemple), l’écart angulaire est tel que :  = 1,22  /a

Diffraction en lumière blanche Figure de diffraction par une fente en lumière blanche En lumière blanche, la figure de diffraction présente une tache centrale blanche et des taches latérales de diffraction irisées.

II. Interférences Observations Une seule fente donne une figure de diffraction. (fig.a) Avec deux fentes parallèles éclairées en lumière monochromatique on observe une figure de diffraction striée d’une alternance de bandes noires et lumineuses appelées franges d’interférence. (fig.b)

Conditions d’interférences II. Interférences Conditions d’interférences Une figure d’interférences s’obtient avec des ondes de même fréquences et présentant un déphasage constant. Ce sont des ondes cohérentes. On utilise une source qui éclaire deux fentes qui deviennent des sources secondaires.

Superposition des ondes II. Interférences Superposition des ondes Interférences constructives Si les deux ondes arrivent en phase au point M (leur décalage temporel est donc un multiple entier de la période T de l'onde), alors les deux ondes vont se renforcer et l'amplitude de la perturbation résultante au point M sera maximale. On dit qu'il y a interférences constructives. Interférences destructives Si, au contraire, les deux ondes arrivent en opposition de phase au point M, alors les deux ondes vont s'annihiler et l'amplitude de la perturbation résultante au point M sera minimale. On dit qu'il y a interférences destructives.

Superposition des ondes II. Interférences Superposition des ondes Interférences constructives Interférences destructives

II. Interférences Différence de marche On appelle différence de marche, notée  en un point M la différence entre les distances d1 = S1M et d2 = S2M. Autrement dit :  = d2 - d1 D'après ce qui précède, le décalage temporel entre les deux ondes au point M est donné par t = 2 - 1

II. Interférences Différence de marche Interférences constructives t = 2 - 1 = k T = k./v avec v célérité de l’onde v(2 - 1) = k. v.2 – v.1 = k. d2 – d1 = k.  = k. avec k entier relatif Interférences destructives  = (k + 1/2). avec k entier relatif http://www.ostralo.net/3_animations/swf/interferences.swf

II. Interférences Interfrange L'interfrange, noté i, est la distance séparant deux franges brillantes ou des deux franges sombres consécutives.

II. Interférences Interfrange La valeur de l’interfrange i peut se calculer suivant l’expression suivante : i en m si  en m, D en m et a en m

Interférences en lumière blanche II. Interférences Interférences en lumière blanche Des taches d'huiles, des CD ou des DVD, des ailes d'insectes ou des bulles de savons éclairées en lumière blanche font apparaître des irisations. Chaque radiation de longueur d'onde λ donne sa propre figure d'interférences. La superposition de ces figures conduit à l'observation de zones colorées. On parle de couleurs interférentielles.

III. Effet Doppler - Fizeau Observations Expérience historique de Doppler http://spcvauge.free.fr/Doppler_2_TS2012.swf Autres expériences Ondes à la surface de l’eau Ondes électromagnétiques Conclusions : Une onde électromagnétique ou mécanique émise avec une fréquence fE est perçue une fréquence fR différente lorsque l'émetteur et le récepteur sont en déplacement relatif : c'est l'effet Doppler-Fizeau

III. Effet Doppler - Fizeau Lien entre période émise et période reçue Soit une source se déplaçant à la vitesse v en direction d’un observateur fixe. Soit une onde émise avec une période T. Elle est reçue avec une période TR.

III. Effet Doppler-Fizeau Pour l’observateur, la période est TR = t4 – t2 TR = [T + (D – v.T)/c] – [D/c] TR = [T + D/c – v.T/c] – [D/c] TR = T + D/c – v.T/c – D/c TR = T – v.T/c TR = T(1 – v/c) Si la source s’approche, v/c > 0 donc -v/c < 0 soit (1-v/c) < 1, TR < T, la période reçue TR est plus faible que la période émise T. La fréquence reçue fR est plus grande que la fréquence émise f. (Le son parait plus aigu) La longueur d’onde reçue R est plus faible la longueur d’onde émise .

III. Effet Doppler-Fizeau Si la source s’éloigne, TR = T(1 + v/c) v/c > 0 donc +v/c > 0 soit (1+v/c) > 1, TR > T, la période reçue TR est plus grande que la période émise T. La fréquence reçue fR est plus faible que la fréquence émise f. (Le son parait plus grave) La longueur d’onde reçue R est plus grande que la longueur d’onde émise .

III. Effet Doppler - Fizeau Décalage Doppler à faible vitesse Si la vitesse v de déplacement de la source est faible par rapport à la célérité c des ondes, on a l’approximation Le décalage en fréquences est f = freçue - f

III. Effet Doppler - Fizeau Effet Fizeau http://www.larousse.fr/encyclopedie/animations/Fuite_des_galaxies/1100509 Plus la galaxie s'éloigne vite, plus le spectre lumineux est décalé vers le rouge; Plus la galaxie se rapproche vite, plus le spectre lumineux est décalé vers le bleu.