Pour aller plus loin : 

I- Étude qualitative de la diffraction de la lumière.

1)- Diffraction de la lumière par une fente.

a)- Expérience :

- Ne jamais regarder directement le faisceau de lumière d’un laser

- On éclaire un écran avec un laser.

-  On interpose sur le trajet du faisceau laser une fente verticale de largeur réglable.

- Schéma :  d ≈ 10 cm et D ≈ 6 m.

b)-  Observation :

- Lorsque la fente est large, environ 2 mm, le faisceau laser n’est pratiquement pas modifié.

- On diminue la largeur de la fente.

- Lorsque la largeur de la fente est inférieure à 1 mm, on observe sur l’écran un étalement du faisceau laser perpendiculairement à la fente.

- Cet étalement de la lumière est appelé figure de diffraction.

- Elle est constituée d’une tache centrale et de taches secondaires situées symétriquement par rapport à la tache centrale.

- La tache centrale est très lumineuse et deux fois plus large que les autres taches.

- La luminosité diminue très vite lorsqu’on s’éloigne de la tache centrale.

- La fente a diffracté la lumière dans une direction perpendiculaire à celle de la fente.

- La diffraction est d’autant plus marquée que la largeur de la fente est petite.

2)- Diffraction du faisceau laser par un fil.

- Si on remplace la fente très fine par un fil très fin, on obtient une figure de diffraction semblable à la précédente.

- Le fil a diffracté la lumière dans une direction perpendiculaire au fil.

TP Seconde N° 02 : Détermination de l'épaisseur d'un cheveu .

Figure de diffraction :

3)- Conclusions.

- Les ouvertures et les obstacles de faibles dimensions diffractent la lumière.

- Ce phénomène est d’autant plus marqué que les ouvertures ou les obstacles sont petits.

- Le phénomène de diffraction existe aussi pour la lumière blanche.

- Il apparaît alors des taches qui sont irisées.

-  Elles sont bordées de rouge d’un côté et de violet de l’autre.

- Le phénomène de diffraction est caractéristique d’une onde.

- La lumière a une nature ondulatoire.

II- Le modèle ondulatoire de la lumière.

1)- Propriétés de l’onde lumineuse.

a)- Nature ondulatoire de la lumière.

- La lumière a une nature ondulatoire.

-  On parle de l’onde lumineuse.

- L’onde lumineuse résulte de la propagation d’une perturbation électromagnétique dans les milieux transparents.

- Les ondes lumineuses périodiques sont appelées des radiations.

- Contrairement aux ondes mécaniques, la propagation des ondes lumineuses ne nécessite pas de support matériel.

- La lumière peut se propager dans le vide.

2)- Célérité de la lumière.

- La célérité de la lumière dans le vide est une constante universelle de valeur approchée : 

- c ≈ 3,00 x 10⁸ m / s

- La valeur fixée pour la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est :

- c = 2,997924558 x 10⁸ m / s

- Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.

- La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide.

- c_air ≈ c ≈ 3,00 x 10⁸ m / s

3)- Longueur d’onde et fréquence d’une radiation lumineuse.

- Une radiation lumineuse est caractérisée par :

- Sa fréquence υ (en Hz) ou sa période T (en s).

- Sa longueur d’onde dans le vide λ₀.

- Remarque :

-  la fréquence υ d’une radiation lumineuse ne dépend pas du milieu de propagation

-  alors que la longueur d’onde λ dépend du milieu de propagation.

- Remarque :

-  Pour les radiations lumineuses, on préfère utiliser la lettre grecque ''nu'' : υ.

- De manière générale, on caractérise une radiation lumineuse par sa longueur d’onde dans le vide.

- Complément :

-  L’œil humain n’est sensible qu’à certaines radiations lumineuses.

- Le domaine de radiations lumineuses visibles s’étend de 400 nm (violet) à 780 nm (rouge).

- Donner le domaine de fréquences correspondant : 400 nm  ≤  λ  ≤  780 nm. 

4)- Indice de réfraction d’un milieu transparent.

- remarque :

- Remarque : dans le vide : λ₀ = c . T et dans le milieu d’indice n, 

- 

- La longueur d’onde dépend du milieu de propagation :

- 

- Contrairement à la période ou à la fréquence, la longueur d’onde dépend du milieu de propagation.

- L’indice de l’air est voisin de 1 et celui de l’eau de 1,33.

5)- Lumière monochromatique et lumière polychromatique.

- Une lumière monochromatique est une radiation de fréquence bien définie, fixée par la source et qui ne dépend pas du milieu de propagation.

- Exemple  : La lumière émise par le laser a une longueur d’onde dans le vide : λ₀ ≈ 632,8 nm.

- C’est une lumière monochromatique.

-  On peut calculer la valeur de sa fréquence.

- Une lumière polychromatique est constituée de radiations de fréquences différentes.

- La lumière blanche est une lumière polychromatique.

-  Elle est constituée d’une infinité de radiations.

- De même, la lumière émisse par une lampe à vapeur de mercure est une lumière polychromatique.

- Elle est constituée de plusieurs radiations : des radiations rouges, jaunes, vertes, bleues et violettes.

- Spectre de la lampe à vapeur de mercure : longueurs d’ondes : 615 nm, 577 nm, 546 nm, 477 nm,  405 nm (à voir)

III- Étude quantitative de la diffraction de la lumière.

1)- Influence des paramètres.

- Lorsqu’une onde lumineuse monochromatique rencontre une ouverture dont la largeur est de l’ordre de la longueur d’onde,

-  on observe sur un écran placé après l’ouverture une figure de diffraction.

- Cette figure de diffraction comporte alternativement des zones sombres et des zones brillantes autour d’une tache centrale.

- 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. Lorsque la largeur de la fente diminue, la largeur de la tache centrale augmente.

- De la distance D de la fente à l’écran.

-  Lorsque D augmente, la largeur L de la tache augmente aussi.

2)- Définition de l’écart angulaire.

- L’écart angulaire θ 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.

- Schéma :

- F : milieu de la fente.

-  O milieu de la tache centrale.

-  M milieu de la première extinction.

-  D est très grand devant OM.

- Cette relation permet de déterminer expérimentalement la longueur d’onde de la lumière d’un faisceau connaissant la largeur de la fente.

- Dans le cas ou D >> L, on peut déterminer la relation donnant la largeur de la tache centrale en fonction de la longueur d’onde et de la largeur de la fente. 

- On fait l’approximation des petits angles.

3)- application 1:

IV- Dispersion de la lumière.

1)- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

- Placer un prisme sur le trajet de la lumière provenant d’une lampe à incandescence. 

- Observer et dessiner le spectre en indiquant les différentes couleurs.

- Le prisme dévie et décompose la lumière blanche en lumières colorées du rouge au violet.

- C'est un phénomène de dispersion. L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche.

- Le spectre est continu du rouge au violet

- Lorsqu’une lumière monochromatique arrive sur un prisme, elle subit deux réfractions :

-  Une sur la face d’entrée et une sur la face de sortie.

- Deuxième loi de la réfraction  : n₁. sin i₁= n₂ .  sin i₂  (1).

- Le trajet d’une lumière dans le prisme dépend de sa couleur c’est-à-dire de sa fréquence.

- Or ce trajet dépend de l’indice du verre.

- En conséquence, l’indice du verre dépend de la fréquence ou de la longueur d’onde dans le vide de la radiation.

2)- Exercice 26 page 87.

Animation

- Exemple : pour le verre ordinaire : n_rouge = 1,510, n_violet = 1,520

- Avec cabri géomètre : figure prisme.

- Le verre est un milieu dispersif.

-  Il faut préciser la valeur de l’indice pour chaque radiation.

V- Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices :

1)- Exercice 15 page 84.	2)- Exercice 22 page 86.
3)- Exercice 26 page 87.	4)- Devoir : étude d'un figure de diffraction.