D'Isaac Newton à Christian Huygens, les scientifiques du XVII^e siècle ont débattu sur la nature de la lumière. L'expérience historique de Thomas Young au XIX^e siècle a permis de mettre en évidence sa caractéristique ondulatoire.

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Doc. 1
Expérience de Thomas Young (1801)

L'expérience est reproductible grâce aux sources lumineuses laser. Le principe est le suivant : une onde monochromatique traverse une plaque percée de deux fentes. Lorsque les fentes sont fines, l'image observée sur l'écran est différente de l'image prédite par l'optique géométrique, à savoir deux fentes.

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Doc. 2
Différence de chemin optique

Les deux fentes se comportent commes des sources secondaires cohérentes dont les ondes lumineuses peuvent interférer. Les zones sombres correspondent à des interférences destructives, les zones brillantes à des interférences constructives : on parle de franges d'interférences. L'intensité lumineuse pour un point donné de l'écran dépend de la différence entre les chemins optiques empruntés par chaque onde lumineuse.

Si D est suffisamment grand et \theta suffisamment petit :

\delta=\mathrm{S}_{1} \mathrm{P}-\mathrm{S}_{2} \mathrm{P}=\frac{a \cdot x}{D}

\delta : différence de chemin optique (m)
a : distance séparant le centre des deux fentes (m)
x : position du point \text{P} (m)
D : distance entre les fentes et l'écran (m)

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Doc. 3
Matériel nécessaire

Deux lasers identiques
Fentes d'Young
Écran

Double décimètre
Banc d'optique avec supports

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Questions

Compétence(s)

REA : Effectuer des mesures avec des capteurs
REA : Respecter les règles de sécurité

1. Préciser les valeurs de la différence de chemin optique \delta pour lesquelles les interférences sont constructives. Même question concernant les interférences destructives.

2. D'après le schéma du , déterminer l'expression de la position x_1 du point \text{P}_1, centre de la première frange brillante, en fonction de a, D et \lambda. Même question concernant la position x_2 du point \text{P}_2, centre de la deuxième frange brillante.

3. En déduire l'expression de la distance séparant \text{P}_1 et \text{P}_2, appelée interfrange i.

4. Réaliser le montage en utilisant un seul laser éclairant les deux fentes et en prenant une distance D minimale de 1{,}50 m. Mesurer l'interfrange i et calculer \lambda.

5. En considérant l'incertitude u(a) fournie par le constructeur, et les incertitudes u(D) et u(i) correspondant aux écarts entre deux graduations, en déduire l'incertitude u(\lambda) :
\dfrac{u(\lambda)}{\lambda}=\sqrt{\left(\dfrac{u(i)}{i}\right)^{2}+\left(\dfrac{u(a)}{a}\right)^{2}+\left(\dfrac{u(D)}{D}\right)^{2}}

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Synthèse de l'activité

Reprendre l'expérience avec un laser devant chaque fente. Interpréter l'observation.

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Interférences d'ondes lumineuses

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Doc. 2 Différence de chemin optique

Doc. 3 Matériel nécessaire

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