Continuons avec les connaissances et savoir-faire exigibles en physique. En ces périodes d’intense révision, je pense que c’est plutôt le bienvenu.
Savoir que, étant diffractée, la lumière peut être décrite comme une onde.
Tout est dit. Si on vous pose la question « comment savez-vous que la lumière est une onde ? » vous répondrez « parce qu’elle se diffracte ».
Connaître l’importance de la dimension de l’ouverture ou de l’obstacle sur le phénomène observé.
Le phénomène de diffraction intervient lorsqu’une onde rencontre une ouverture ou un obstacle dont la taille est de l’ordre de la longueur d’onde. Notons a cette dimension (largeur de la fente ou taille caractéristique de l’obstacle). Les ondes se diffractent lorsque a est de l’ordre de λ.
Pour la lumière visible, λ est compris entre 400 et 800 nm. Ainsi, le caractère ondulatoire de la lumière ne peut être mis en évidence que lorsque la lumière rencontre des obstacles ou des fentes de l’ordre du μm ce qui n’est pas courant dans la vie de tous les jours.
Connaître et savoir utiliser la relation λ= c/ν, la signification et l’unité de chaque terme.
Cette relation a déjà été évoquée dans le cas des ondes mécaniques progressives périodiques. Comme la lumière est une onde périodique, on peut écrire λ= c.T ce qui devient λ= c/ν en se rappelant que T=1/ν où ν est la fréquence. Cette relation nous permet de calculer la fréquence de l’onde lumineuse lorsqu’on connait la longueur d’onde.
Par exemple, une radiation de longueur d’onde 450 nm dans le vide a une fréquence ν = c/λ = 3,00.108/450.10-9 = 6,67.1014 Hz
Connaître et utiliser la relation θ= λ/a, la signification et l’unité de chaque terme.
Dans une expérience de diffraction :
L’angle θ est l’angle de déviation correspondant à la tache principale. Cet angle ne dépend que de la largeur de la fente a et de la longueur d’onde de la radiation incidente λ suivant la relation θ=λ/a.
Dans cette relation, λ et a sont en mètre et θ en radians.
Exploiter une figure de diffraction dans le cas des ondes lumineuses.
Dans l’expérience précédente, on peut écrire tanθ=(l/2)/L = l/2L.
En faisant l’approximation tan θ ≈ θ et en utilisant la relation précédente, on peut écrire λ/a=l/2L ce qui nous permet de déterminer a si λ est connu ou λ si a est connu.
En guise d’entraînement, on pourra faire les 2 sujets suivant disponible sur labolycee.org : La lumière est un onde – métropole 2003 et caractère ondulatoire de la lumière – Amérique 2009.
Définir une lumière monochromatique et une lumière polychromatique.
Une lumière monochromatique est une lumière constituée d’une seule radiation (caractérisée par une longueur d’onde unique).
Une lumière polychromatique est une lumière constitué de plusieurs radiations (caractérisé par un ensemble continue ou non de longueurs d’onde).
Connaître les limites des longueurs d’onde dans le vide du spectre visible et les couleurs correspondantes.
Dans le vide, le spectre de lumière visible s’étend grosso modo de 400 (violet) à 800 nm (rouge). Pour les plus pointilleux, on pourra retenir de 380 à 780 nm.
Situer les rayonnements ultraviolets et infrarouges par rapport au spectre visible.
Comme son nom l’indique, les Ultra-violet sont au-delà du violet, c’est à dire en-dessous de 400 nm et les infra-rouges sont au-delà du rouge, au-dessus de 800 nm.
Savoir que la lumière se propage dans le vide et dans les milieux transparents.
Sans blague ? Non plus sérieusement, « la lumière se propage dans le vide » n’est pas si évident (voir l’article sur la nature de la lumière). Contrairement aux ondes matérielles, la lumière n’a pas besoin de matière pour se propager.
En ce qui concerne les milieux transparents, c’est la définition même : un milieu est dit transparent s’il n’est pas opaque à la propagation de la lumière.
Savoir que la fréquence d’une radiation monochromatique ne change pas lorsqu’elle passe d’un milieu transparent à un autre.
Celui-là n’est pas si évident. Lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre, c’est la fréquence qui est inchangée, la longueur d’onde, elle, est modifiée. Voyons cela d’un peu plus prêt :
Imaginons une radiation monochromatique de longueur d’onde 450 nm dans le vide qui traverse un milieu d’indice n=1,5. La fréquence de cette radiation est ν = 6,67.1014 Hz (calculé plus haut). Dans le milieu d’incide n=1,5 cette fréquence est inchangée. Par contre, sa vitesse de propagation est diminuée d’un facteur 1,5.
Comment ça ?
Mais oui, rappelez-vous de vos cours de 2de, l’indice est défini par n=c/v donc v=c/n. Dans un milieu d’indice 1,5 la vitesse est 3,00.108/1,5 = 2,0.108 m/s (Vous avez remarqué pour les chiffres significatifs ?).
Ainsi, en vertu de la relation λ= c/ν, la longueur d’onde de la radiation dans le milieu d’indice 1,5 est λ = 2,0.108/6,67.1014 = 3,0.10-7 m = 300 nm et non pas 450 nm. Ce calcul est relativement important. Je vous invite à bien le refaire.
Savoir que les milieux transparents sont plus ou moins dispersifs.
Rappelons-nous qu’un milieu dispersif est un milieu dans lequel la vitesse de propagation d’une onde dépend de la fréquence de l’onde. Par conséquent, dans un milieu dispersif, l’indice n dépend de la fréquence. Ainsi, pour une lumière polychromatique qui traverse un milieu dispersif, chaque radiation monochromatique est réfracté d’une manière différente (en vertu de la loi de Snell-Descartes, apprise en 2de : n1.sin i1=n2.sin i2).
Sous certaines conditions, en particulier avec un prisme, une lumière polychromatique est dispersée en ses différentes couleurs à la sortie du prisme :
Faut-il connaître la relation de Snell-Descartes ? A priori, non. D’ailleurs dans les 2 sujets cités plus haut, elle est donnée. Par contre, il est bon de savoir ce qu’elle veut dire.
En l’occurence, un dessin vaut mieux qu’un long discours :
n1.sinθ1=n2.sinθ2
L’angle de diffraction θ (défini dans le schéma ci-dessous) est de l’ordre de λ/a où a est la largeur de la fente.
Cédric
