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Interférences (fentes de Young) et diffraction par une fente

Deux sources cohérentes (même fréquence, déphasage constant) créent une figure stable de franges brillantes et sombres. En un point de l'écran, la différence de marche est Δ = yd/D : brillant si Δ = nλ, sombre si Δ = (n + ½)λ. Toutes les franges ont la même largeur β = λD/d. Une fente simple de largeur a donne de la diffraction : une tache centrale brillante de largeur 2λD/a, avec les premiers minima en a sin θ = λ, et des maxima latéraux plus faibles.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. La lumière d'une seule source arrive sur deux fentes très fines, S₁ et S₂. Les deux faisceaux viennent de la même onde, donc leur déphasage ne change jamais. Ce sont des sources cohérentes.
  2. Les ondes de S₁ et de S₂ se superposent. Quand un sommet rencontre un sommet, la lumière s'additionne : bande brillante. Quand un sommet rencontre un creux, elles s'annulent : bande sombre. Des rayures apparaissent sur l'écran.
  3. Déplaçons maintenant un point P vers le haut de l'écran. Sa distance à S₂ augmente plus que sa distance à S₁. Si le trajet en plus vaut un nombre entier de λ, P est brillant. Si c'est un nombre entier plus un demi, P est sombre.
  4. Écartons lentement les fentes (d augmente). Les rayures se rapprochent. La largeur des franges β = λD/d diminue.
  5. Maintenant, une seule fente plus large. La lumière s'étale derrière elle. L'écran montre une large bande centrale brillante et des bandes faibles sur les côtés. C'est la diffraction.
  6. Jeu libre. Change λ, d, D et a. Essaie des sources incohérentes : les rayures disparaissent.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Pourquoi deux ampoules ne peuvent-elles pas faire de franges d'interférence ?

La phase de chaque ampoule change au hasard des millions de fois par seconde. La figure de franges saute trop vite, donc l'œil voit une lumière uniforme. Des sources cohérentes gardent un déphasage fixe.

Pourquoi le centre est-il toujours brillant ?

Le centre est à la même distance de S₁ et de S₂. Les deux ondes arrivent en phase (différence de marche nulle), donc sommet sur sommet.

Comment la différence de marche décide-t-elle si c'est brillant ou sombre ?

Si une onde parcourt un nombre entier de longueurs d'onde en plus, les sommets restent alignés (brillant). Si elle parcourt une demi-longueur d'onde en plus, un sommet rencontre un creux (sombre).

Pourquoi les franges se rapprochent-elles quand on écarte les fentes ?

Avec un d plus grand, la différence de marche change plus vite quand on monte sur l'écran, donc on atteint plus tôt la tache brillante suivante : β = λD/d.

Pourquoi la bande centrale d'une fente simple est-elle si large ?

Elle va de la première bande sombre d'un côté (θ = −λ/a) à la première bande sombre de l'autre (θ = +λ/a), donc elle est deux fois plus large que les bandes latérales.

Où va la lumière à une frange sombre ?

Elle va vers les franges brillantes. Les franges brillantes reçoivent 4 fois la lumière d'une seule onde, les sombres zéro, donc la moyenne reste la même.

Superposition et sources cohérentes

Quand deux ondes se rencontrent, la perturbation totale en un point est la somme des deux : c'est le principe de superposition. Si deux ondes lumineuses d'amplitude a se rencontrent avec un déphasage φ, l'intensité résultante est I = 4I₀ cos²(φ/2).

Pour avoir une figure stable, les sources doivent être cohérentes : même fréquence et déphasage constant. Deux ampoules séparées ne sont pas cohérentes : leurs phases changent au hasard des millions de fois par seconde, donc les franges bougent trop vite pour être vues et l'écran paraît éclairé uniformément (I = I₁ + I₂). C'est pour cela que Young a séparé la lumière d'une seule source en deux fentes. Un laser donne une lumière très cohérente.

L'expérience des fentes de Young

Thomas Young (1801) a envoyé la lumière d'une seule fente fine sur deux fentes parallèles très proches, S₁ et S₂ (écart d). Un écran était placé à une distance D (D ≫ d). Il a vu des bandes brillantes et sombres régulièrement espacées, appelées franges.

Différence de marche

Pour un point P à la hauteur y au-dessus du centre O, la distance en plus depuis S₂ est Δ = S₂P − S₁P ≈ yd/D.

Franges brillantes

Δ = nλ → yₙ = nλD/d (n = 0, 1, 2…). Le centre O (n = 0) est toujours brillant.

Franges sombres

Δ = (n + ½)λ → yₙ = (n + ½)λD/d.

Largeur des franges

La distance entre deux franges brillantes (ou sombres) voisines est

β = λD/d

Toutes les franges ont la même largeur. Largeur angulaire θ = λ/d.

Qu'est-ce qui change les franges ?

Diffraction par une fente simple

La diffraction est la déviation et l'étalement de la lumière au bord d'une petite ouverture ou d'un obstacle. On la remarque quand l'ouverture n'est pas beaucoup plus grande que la longueur d'onde.

Éclaire une seule fente fine de largeur a. Imagine la fente comme plein de minuscules sources de Huygens côte à côte. Droit devant, elles arrivent toutes en phase : la tache centrale est brillante.

Première bande sombre

À l'angle où la différence de marche entre le haut et le bas de la fente vaut λ, coupe la fente en deux moitiés : chaque point de la moitié haute annule un point partenaire de la moitié basse. Le premier minimum est donc en a sin θ = λ, soit θ ≈ λ/a. Minima : a sin θ = nλ.

Largeur de la tache centrale

De −λ/a à +λ/a : la largeur angulaire est 2λ/a et, sur l'écran,

largeur de la tache centrale = 2λD/a

Elle est deux fois plus large que chaque bande latérale, et les maxima latéraux (vers a sin θ ≈ (n + ½)λ) sont bien plus faibles. Une fente plus étroite donne une tache centrale plus large.

Interférence et diffraction : la différence

InterférenceDiffraction (fente simple)
Les ondes de deux sources cohérentes se superposentLes ondelettes de différentes parties d'une seule fente se superposent
Toutes les franges ont la même largeurLa tache centrale est deux fois plus large que les autres
Toutes les franges brillantes ont à peu près la même intensitéL'intensité diminue vite en s'éloignant du centre
Les franges sombres sont totalement sombresLes minima sont sombres, les maxima latéraux faibles

Dans de vraies fentes de Young, les deux phénomènes ont lieu : les franges d'interférence se placent dans la large figure de diffraction de chaque fente.

À toi : voir la diffraction avec tes doigts

Tiens deux doigts très près l'un de l'autre devant un œil, en laissant un écart fin comme un cheveu, et regarde un tube lumineux à travers. Tu verras de fines lignes sombres le long de l'écart : c'est une figure de diffraction. Resserre l'écart : la figure s'élargit (a plus petit, 2λD/a plus grand). Dans la 3D, prévois ce qui arrive à β quand tu doubles d, puis bouge le curseur pour vérifier.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Dans l'expérience de Young, λ = 600 nm, d = 0.5 mm, D = 1 m. Trouve la largeur des franges.

Étape 1 : β = λD/d. Étape 2 : = 600 × 10⁻⁹ × 1 / 0.5 × 10⁻³. Étape 3 : β = 1.2 × 10⁻³ m = 1.2 mm.

2. Avec le même montage (β = 1.2 mm), trouve la distance au centre de la 3e frange brillante et de la 2e frange sombre.

Étape 1 : 3e brillante : y = 3β = 3.6 mm. Étape 2 : 2e sombre (n = 1) : y = (1 + ½)β = 1.5 × 1.2 = 1.8 mm.

3. La largeur des franges est 2 mm avec D = 1.2 m et d = 0.3 mm. Trouve la longueur d'onde.

Étape 1 : λ = βd/D. Étape 2 : = 2 × 10⁻³ × 0.3 × 10⁻³ / 1.2. Étape 3 : λ = 5 × 10⁻⁷ m = 500 nm.

4. Que devient β = 1.2 mm si (a) D est doublé, (b) d est doublé, (c) tout le montage est plongé dans l'eau (n = 4/3) ?

Étape 1 : β ∝ D, donc (a) β = 2.4 mm. Étape 2 : β ∝ 1/d, donc (b) β = 0.6 mm. Étape 3 : λ devient λ/n, donc (c) β = 1.2 × 3/4 = 0.9 mm.

5. En un point P de l'écran, la différence de marche est 1800 nm pour une lumière de λ = 600 nm. P est-il brillant ou sombre ? Et si λ = 720 nm ?

Étape 1 : 1800/600 = 3, nombre entier → brillant (3e frange brillante). Étape 2 : 1800/720 = 2.5 → nombre entier plus un demi → sombre.

6. Deux ondes cohérentes d'intensité I₀ chacune se rencontrent avec un déphasage de π/2. Trouve l'intensité résultante.

Étape 1 : I = 4I₀ cos²(φ/2). Étape 2 : = 4I₀ cos²(45°) = 4I₀ × ½. Étape 3 : I = 2I₀.

7. Une lumière de λ = 500 nm tombe sur une fente simple de largeur 0.2 mm. L'écran est à 2 m. Trouve la largeur de la tache centrale.

Étape 1 : largeur = 2λD/a. Étape 2 : = 2 × 500 × 10⁻⁹ × 2 / 0.2 × 10⁻³. Étape 3 : = 1 × 10⁻² m = 10 mm.

8. Dans une expérience de fente simple, le premier minimum pour la lumière rouge (660 nm) est à 30°. Trouve la largeur de la fente.

Étape 1 : a sin θ = λ. Étape 2 : a = 660 nm / sin 30° = 660/0.5. Étape 3 : a = 1320 nm = 1.32 μm.

9. Deux longueurs d'onde, 650 nm et 520 nm, sont utilisées ensemble avec des fentes de Young (d = 2 mm, D = 1.2 m). Trouve la plus petite distance au centre où leurs franges brillantes coïncident.

Étape 1 : n₁ × 650 = n₂ × 520 → n₁/n₂ = 4/5. Étape 2 : plus petit y = 4 × 650 × 10⁻⁹ × 1.2 / 2 × 10⁻³. Étape 3 : y = 1.56 × 10⁻³ m = 1.56 mm.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. La largeur des franges dans l'expérience des fentes de Young est :
2. Des sources cohérentes doivent avoir :
3. Une frange sombre se forme là où la différence de marche vaut :
4. La largeur de la tache centrale en diffraction par une fente simple est :
5. Si l'écart d entre les fentes est divisé par deux, la largeur des franges :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelle est la formule de la largeur des franges ?

β = λD/d, où λ est la longueur d'onde, D la distance entre les fentes et l'écran, et d l'écart entre les deux fentes.

Que sont des sources cohérentes ?

Ce sont des sources qui donnent une lumière de même fréquence avec un déphasage constant. En pratique, on les obtient en séparant la lumière d'une seule source, comme dans les fentes de Young.

Quelle est la largeur de la tache centrale en diffraction par une fente simple ?

2λD/a sur l'écran (largeur angulaire 2λ/a), où a est la largeur de la fente. Elle est deux fois plus large que les autres maxima.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 12E. The Wave Nature of Light
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Optional domains (choose two)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIWaves and optics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVWaves and optics
RomaniaClasa a XI-aWave optics
RomaniaClasa a XI-aWave optics
Ukraine11 класOptics
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Optics
England (GCSE, A level)Year 123.3 Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 2학년Light and communication
South Korea고등학교 2학년Light and matter
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
South Korea고등학교 3학년Waves and properties of matter
FranceTerminaleWaves and signals
FranceTerminalePhysics complement
Russia9 классElectromagnetic field and waves
Russia11 классOptics
Russia11 классOptics
China高二Selective 1 Ch.3 Mechanical waves
China高二Selective 1 Ch.4 Light

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