TPp 4 Mesure de l`épaisseur d`un cheveu

TP de Physique 4
Chapitre n°2 (De l’infiniment grand à l’infiniment petit)
DE L’INTÉRÊT DE COUPER LES CHEVEUX EN QUATRE
Couper les cheveux en quatre se dit d'une personne qui se complique l'existence, qui cherche des subtilités
excessives. Nous allons aujourd’hui découvrir pourquoi la tétracapil(l)ectomie reste une science bien épuisante...
Objectifs :
• Utiliser un dispositif ou un phénomène physique pour déterminer une longueur.
• Réaliser une courbe d’étalonnage et l’utiliser pour déterminer une grandeur inconnue.
Nous allons ici utiliser un phénomène important pour mesurer l’épaisseur d’un cheveu. Il s’agit de la diffraction
que vous retrouverez sans aucun doute au cours de vos longues études.
Un objet diffractant sur le trajet d’un " rayon " laser produit une figure de diffraction sur un écran. La taille de la
figure de diffraction permet d’avoir une idée de la taille de l’objet diffractant.
Il s’agira alors avec une dextérité de couturière d’élaborer une courbe d’étalonnage avec divers fils de différents
diamètres.
Un faisceau laser est un outil performant mais qui nécessite des mesures de sécurité extrêmes ! ! !
MESURES DE SÉCURITÉ À OBSERVER LORS DE LA MANIPULATION D’UN LASER :
Ne jamais regarder le faisceau laser directement, il peut entraîner une destruction irréversible des cellules
rétiniennes. L’exposition prolongée de la peau au faisceau laser peut également provoquer des brûlures.
Manipulation :
Disposer un laser perpendiculairement à l’écran.
Un fil de diamètre d est tendu sur un cache de diapositive ou une fente d’ouverture a. Placer le fil ou la fente devant
le faisceau laser.
La figure obtenue sur l’écran, situé à une distance D du fil est appelée figure de diffraction.
Lorsqu’elle rencontre un obstacle ou une ouverture de très petite dimension, la lumière ne se propage plus en ligne
droite comme dans le modèle du rayon lumineux : la lumière est diffractée par l’obstacle ou l’ouverture. On
cherche à mesurer la largeur ℓ de la tache centrale de diffraction.
l
Support diapositive avec fils
tendus verticalement
taches de diffaction
horizontales
2l
Écran
blanc
Laser
Faisceau
Laser
D
Fil de diamètre d (par ex : cheveu)
vertical
1. a. Quelles sont les modifications que subit la tache sur le tableau lorsque le fil ou l’ouverture est placé devant
le faisceau laser.
b. Dans le cadre du modèle du faisceau lumineux, qu’aurait-on obtenu sur le tableau ?
2. a. Que se passe t-il si l’on modifie la distance entre le laser et le fil ? Attention à ne faire varier que cette
distance avant de conclure
b. Que se passe t-il si l’on modifie la distance entre le fil et l’écran ?
c. Dans quel sens varie la largeur de la tache quand l’épaisseur du fil augmente ?
3. Sans modifier la distance D, mesurer la largeur ℓ en utilisant plusieurs fils de diamètres connus.
d (mm)
ℓ (mm)
4. Tracer la courbe représentant ℓ en fonction de d : ℓ = f(d). On obtient ainsi une courbe d’étalonnage.
5. Proposer un protocole expérimental pour mesurer l’épaisseur d’un cheveu de diamètre inconnu.
6. Arracher subrepticement une touffe de cheveux de votre camarade le plus proche (et le moins costaud…) et
choisir le cheveu de la meilleure qualité. En déduire avec une ahurissante facilité le diamètre de ce cheveu.