TERMINALE S Chapitre 3 Le modèle ondulatoire de la lumière.

Lycée J-B Schwilgué - SELESTAT
TERMINALE S
Chapitre 3
Le modèle ondulatoire de la lumière.
I. La lumière : une onde ?
1. La lumière répond-elle à la définition d’une onde ?
On appelle onde le phénomène de propagation d’une perturbation sans transport de matière mais
avec transport d’énergie.
La lumière lorsqu’elle rencontre une poussière ne la déplace pas.
Les photocapteurs (photorésistance, photodiode) transforment l’énergie lumineuse en énergie électrique.
La lumière répond bien à la définition d’une onde.
2. La lumière répond-elle à la définition d’une onde mécanique ?
Savoir que la lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents.
On appelle onde mécanique le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu
élastique sans transport de matière.
La lumière se propage dans le vide (la lumière provenant du soleil nous arrive !)
La lumière ne répond pas à la définition d’une onde mécanique.
3. La lumière répond-elle à la définition d’une onde périodique ?
Une onde est périodique si elle présente une périodicité temporelle et spatiale.
La lumière ne se propageant pas le vide fait parti d’une autre catégorie d’onde :
les ondes électromagnétiques.
La lumière est défini par la propagation d’un champ électromagnétique
(association d’un champ électrique E=E0.cos(ωt+ρ) et d’un champ magnétique
B=B0. cos(ωt+ρ)).
La lumière est donc une onde périodique.
II. La lumière, une onde diffractée.
Savoir que, étant diffractée, la lumière peut être décrite comme une onde
1. Mise en évidence.
Interposer devant un faisceau laser :
- fente très fine
- trou très fin
- fil fin
Dans tous les cas, nos observations ne sont pas conformes
avec nos prévisions (guidées par la théorie de la propagation
rectiligne de la lumière). Nous observons un phénomène de diffraction : la lumière sur l’écran est
séparée par des bandes sombres.
2. Analogie avec les ondes mécaniques.
Comme dans le cas des ondes mécaniques, il y a étalement de la
lumière avec apparition de franges successivement brillantes et
sombres.
Augmentons la largeur de la fente : le phénomène de diffraction est
moins important.
GROSSHENY L.
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La lumière de la même manière au phénomène diffraction : cette analogie a permis de dire que
la lumière est une onde.
3. Quelle est l’influence de la largeur de la fente sur la diffraction ?
Connaître l'importance de la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle sur le phénomène observé.
Exploiter une figure de diffraction dans le cas des ondes lumineuses.
Connaître et utiliser la relation thêta = lambda/ a , la signification et l'unité de chaque terme.
Expérience :
Nous avons vu que la figure de diffraction contient une tache centrale large et plusieurs taches de part
et d’autre.
Un faisceau de lumière monochromatique arrivant sur une fente diverge d’un angle θ, appelé
écart angulaire entre le centre de la tache et la première extinction.
d
Ecran
d
Fente
tan θ = θ = 2 =
L
2L
Faisceau laser incident
θ
a
d
Largeur
De la tâche
centrale
L
Le graphique de l’écart angulaire en fonction de
l’inverse de la largeur de fente est une droite de
coefficient directeur 684.10-9 (environ la valeur de la
longueur d’onde)
Ecart angulaire = f( inverse de la largeur de fente)
1,6E-02
1,4E-02
y = 6,845E-07x + 1,064E-04
1,2E-02
teta
1,0E-02
La relation est :
8,0E-03
θ=
6,0E-03
4,0E-03
a
=
d
2L
(Écart angulaire en radian = longueur d’onde en mètre /
largeur fente en mètre).
2,0E-03
0,0E+00
0,0E+00
λ
5,0E+03
1,0E+04
1,5E+04
2,0E+04
2,5E+04
1/a
III. Propriétés des ondes lumineuses.
1. La célérité.
Définir une lumière monochromatique et une lumière polychromatique.
Savoir que la lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents.
Définir l'indice d'un milieu transparent pour une fréquence donnée.
Dans le vide la célérité de la lumière est une constante universelle qui vaut c = 3.108 m.s-1.
c = 299 792 458 m/s
Dans le vide, la vitesse est indépendante de la longueur d’onde : le vide n’est pas un milieu dispersif.
Dans un milieu transparent, une onde se propage à une vitesse V inférieur à c tel que
c
ou n correspond à l’indice du milieu.
V=
n
2. Fréquence et longueur d’onde.
Connaître et savoir utiliser la relation lambda = c/v , la signification et l'unité de chaque terme.
GROSSHENY L.
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Connaître les limites des longueurs d'onde dans le vide du spectre visibles et les couleurs correspondantes.
Situer les rayonnements ultraviolets et infrarouges par rapport au spectre visible.
Une onde lumineuse qui ne présente qu’une seule fréquence est dite monochromatique.
(La lumière des lasers est pratiquement monochromatique).
La fréquence de l’onde détermine (caractérise) la couleur de celle-ci.
La fréquence est une constante de la couleur, elle ne change pas.
Les physiciens préfèrent en général parler de la longueur d’onde défini par :
λ=
V
= V ×T
f
λ : longueur d’onde en mètre
V : vitesse de l’onde lumineuse en m/s
f : fréquence de l’onde en Hertz
Une onde lumineuse qui présente plusieurs fréquences est une onde polychromatique. (La lumière
blanche est polychromatique)
Correspondance entre couleur et longueur d’onde dans le vide :
400
600
Longueurs d’onde λ (en nm)
Radiations
ultraviolettes
800
Radiations
infrarouges
IV. Comment décomposer la lumière blanche ?
Savoir que la fréquence d'une radiation monochromatique ne change pas lorsqu'elle passe d'un milieu
transparent à un autre.
Savoir que les milieux transparents sont plus ou moins dispersifs.
1. Expérience.
Un réseau permet de décomposer la lumière par diffraction et d’obtenir son spectre.
Remarque : la lumière laser est diffractée par le réseau, mais on obtient qu’une seule raie ( lumière
monochromatique).
2. Comment expliquer la décomposition de la lumière blanche ?
Expérience de la réfraction de la lumière avec un demi-cylindre.
Loi de Descartes : n1.sin i = n2.sin r
n1 et n2 sont les indices de réfraction du milieu.
3. La réfraction est-elle identique pour toutes les lumières ?
La fréquence d’une radiation monochromatique ne change pas lorsqu’on change de milieu. Par
contre, l’indice d’un même milieu dépend de la longueur d’onde de la radiation
monochromatique.
La réfraction ne sera pas la même selon la couleur de la lumière.
GROSSHENY L.