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Lumière et ouvertureLorsqu'une onde lumineuse rencontre un obstacle ou une fente de petite taille, elle ne se propage plus en ligne droite : elle s'étale dans la zone d'ombre géométrique. Ce phénomène, appelé diffraction, est observable lorsque la dimension a de l'ouverture est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde λ. Sur un écran placé à la distance D, on observe une tache centrale large et brillante, entourée de taches secondaires moins intenses. La largeur L de la tache centrale est donnée par la relation L = 2λD/a. Plus l'ouverture est petite, plus la diffraction est marquée.
📖 Définition
Diffraction : étalement d'une onde après passage par une ouverture ou rencontre d'un obstacle de taille comparable à λ.
🔍 Exemple
Un faisceau laser traversant une fente fine produit sur un mur une tache centrale élargie et des taches latérales.
💡 À retenir : La diffraction révèle la nature ondulatoire de la lumière.
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Superposition de deux ondesDeux ondes lumineuses issues de sources cohérentes et synchrones peuvent se superposer : leurs amplitudes s'additionnent. Si elles arrivent en phase, l'interférence est constructive et la zone est brillante ; si elles arrivent en opposition de phase, l'interférence est destructive et la zone est sombre. Dans l'expérience des fentes de Young, deux fentes fines séparées de b sont éclairées par un même laser. Sur un écran à la distance D, on observe des franges alternativement brillantes et sombres, régulièrement espacées. L'interfrange i, distance entre deux franges brillantes consécutives, vaut i = λD/b.
📢 Rappel
Deux sources sont cohérentes si elles ont la même fréquence et un déphasage constant.
⭐ À retenir
Interférence constructive si la différence de marche δ = kλ ; destructive si δ = (k+1/2)λ.
💡 À retenir : Les interférences constructives et destructives créent des franges alternées.
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Couleurs et conditionsLa longueur d'onde λ détermine la couleur de la lumière : dans le visible, elle varie d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). L'interfrange i et la largeur de la tache de diffraction L dépendent de λ : une lumière rouge produit des franges plus espacées qu'une lumière bleue. Avec une lumière blanche, chaque longueur d'onde donne sa propre figure, ce qui provoque des irisations, comme sur les bulles de savon ou les CD. Pour observer des interférences stables, les sources doivent être cohérentes : même fréquence et déphasage constant. La différence de marche δ = d2 - d1 entre les deux trajets contrôle le type d'interférence.
🔍 Exemple
Les irisations d'une bulle de savon résultent d'interférences entre les ondes réfléchies sur ses deux faces.
⭐ À retenir
En lumière blanche, les figures sont irisées car chaque λ donne un espacement différent.
💡 À retenir : La couleur de la lumière influence directement les figures d'interférences et de diffraction.
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Applications technologiquesLes phénomènes d'interférences et de diffraction sont exploités dans de nombreux dispositifs. Les CD et DVD stockent l'information sous forme de micro-pistes qui diffractent la lumière et produisent des irisations. Les réseaux de diffraction, constitués de milliers de fentes parallèles, dispersent la lumière et servent dans les spectromètres pour analyser les sources. L'interférométrie utilise les interférences pour mesurer de très petites distances, des défauts de surface ou des ondes gravitationnelles. En astronomie, la diffraction limite le pouvoir de résolution des télescopes. Ces applications montrent que l'optique ondulatoire est essentielle en métrologie et en analyse spectrale.
🔍 Exemple
Un CD irise car ses pistes espacées de 1,6 µm diffractent différemment les couleurs.
⭐ À retenir
Un réseau de diffraction disperse la lumière blanche en ses différentes longueurs d'onde.
💡 À retenir : Interférences et diffraction sont des outils de mesure et d'analyse de la lumière.