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Diffraction

As-tu déjà pensé à la différence entre onde et matière ? L'une des méthodes classiques pour préciser si l'on traite d'une onde ou d'une particule est d'évaluer son comportement, et de voir les phénomènes qu'elle subit.Les phénomènes sont indicateurs de la nature de ce que l'on traite. Par exemple, la réfraction est un phénomène caractéristique des ondes, et ne peut pas…

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Diffraction

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As-tu déjà pensé à la différence entre onde et matière ?

L'une des méthodes classiques pour préciser si l'on traite d'une onde ou d'une particule est d'évaluer son comportement, et de voir les phénomènes qu'elle subit.

Les phénomènes sont indicateurs de la nature de ce que l'on traite. Par exemple, la réfraction est un phénomène caractéristique des ondes, et ne peut pas être expliqué par le modèle ondulatoire. Les collisions, d'autre part, sont généralement caractéristiques de la matière (deux ondes ne subissent pas la collision).

As-tu entendu parler de la diffraction ?

Dans ce qui suit, nous traitons le phénomène de diffraction caractéristique des ondes.

Reste à l'écoute !

Définition de la diffraction

La diffraction est un phénomène qui affecte les ondes lorsqu'elles rencontrent un objet ou une ouverture sur leur chemin de propagation. La façon dont leur propagation est affectée par l'objet ou l'ouverture dépend des dimensions de l'obstacle.

Phénomène de diffraction

Lorsqu'une onde se propage sur un objet, il y a une interaction entre les deux. Un exemple est une brise calme qui déplace l'eau autour d'un rocher émergeant de la surface d'un lac. Dans ces conditions, des ondes parallèles se forment là où il n'y a rien pour les bloquer, tandis que juste derrière le rocher, la forme des ondes devient irrégulière. Plus le rocher est gros, plus l'irrégularité est grande.

En gardant le même exemple, mais en échangeant le rocher contre un portail ouvert, nous observons le même comportement. La vague forme des lignes parallèles avant l'obstacle, mais des lignes irrégulières en passant à travers et au-delà de l'ouverture de la porte. Les irrégularités sont causées par les bords de la porte.

Diffraction Diffraction de la lumière par deux fentes StudySmarterFigure 1. Une onde se propage vers une ouverture. Les flèches indiquent la direction de la propagation, tandis que les lignes en pointillés représentent les fronts d'onde avant et après l'obstacle. Remarquez que le front d'onde devient brièvement circulaire mais reprend sa forme linéaire initiale lorsqu'il quitte l'obstacle.

Ouverture à fente unique

La dimension de l'ouverture affecte son interaction avec l'onde. Au centre de l'ouverture, lorsque sa longueur d est supérieure à la longueur d'onde λ, une partie de l'onde passe sans être altérée, créant un maximum au-delà.

Diffraction Ouverture d'une fente unique de la lumière StudySmarterFigure 2. Une onde traversant une ouverture dont la longueur d est supérieure à la longueur d'onde λ.

Formule de la diffraction

Si nous augmentons la longueur d'onde, la différence entre les maximums et les minimums n'est plus évidente. Ce qui se passe, c'est que les ondes interfèrent entre elles de manière destructive en fonction de la largeur d de la fente et de la longueur d'onde λ. Nous utilisons la formule suivante pour déterminer où se produit l'interférence destructive :

\[n λ = d\cdot sin θ\]

Ici, n = 0, 1, 2 est utilisé pour indiquer les multiples entiers de la longueur d'onde. Nous pouvons le lire comme n fois la longueur d'onde. Cette quantité est égale à la longueur de l'ouverture multipliée par le sinus de l'angle d'incidence θ, dans ce cas, π/2. Nous avons donc une interférence constructive, qui produit un maximum (les parties plus lumineuses de l'image) aux points qui sont des multiples de la moitié de la longueur d'onde. Nous exprimons cela avec l'équation suivante : \[n\frac{\lambda}{2}=d \cdot sin \theta\]

 Diffraction Distribution de l'énergie StudySmarterFigure 3. Ici, l'énergie est distribuée sur une plus grande longueur d'onde comme indiqué par la distance entre les lignes bleues. Il y a une transition plus lente entre un maximum (bleu) et un minimum (noir) avant l'ouverture.

Enfin, n dans la formule indique, non seulement que nous avons affaire à des multiples de la longueur d'onde, mais aussi l'ordre du minimum ou du maximum. Lorsque n = 1, l'angle d'incidence résultant est l'angle du premier minimum ou maximum, tandis que n = 2 correspond au second et ainsi de suite jusqu'à obtenir une affirmation impossible comme sin θ doit être inférieur à 1.

Diffraction d'une onde causée par un obstacle

Notre premier exemple de diffraction était un rocher dans l'eau, c'est-à-dire un objet qui se trouve sur le chemin de l'onde. Il s'agit de l'inverse d'une ouverture. Pourtant, comme il existe des frontières qui provoquent la diffraction, nous allons également explorer cet aspect. Alors que dans le cas d'une ouverture, l'onde peut se propager, créant un maximum juste après l'ouverture, un objet "casse" le front de l'onde, provoquant un minimum immédiatement après l'obstacle.

Diffraction, Onde, StudySmarterFigure 4. Une onde est générée sous l'obstacle, les crêtes étant représentées en couleur et les creux en noir.

La figure représente un scénario dans lequel l'onde est toujours la même, alors que les obstacles sont de plus en plus larges.

L'onde est perturbée par le plus petit obstacle, mais pas assez pour briser le front d'onde. Cela est dû au fait que la largeur de l'obstacle est petite par rapport à la longueur d'onde.

Un obstacle plus grand, dont la largeur est similaire à la longueur d'onde, provoque un seul minimum juste après lui (cercle rouge, 2ème image en partant de la gauche), ce qui indique que le front d'onde a été brisé.

Le troisième cas présente un schéma complexe. Ici, le front d'onde correspondant à la première crête (ligne rouge) est divisé en trois parties et présente deux minimums. Le front d'onde suivant (ligne bleue) présente un minimum, et après cela, nous revoyons la différence entre les crêtes et les creux, même s'ils sont courbés.

Il est évident que l'obstacle provoque un désalignement du front de la vague. Au-dessus de la ligne jaune, il y a deux petites crêtes qui sont inattendues et causées par la courbure de la vague. Ce désalignement est observé dans les maximums soudains après le déphasage de l'obstacle.

Diffraction de la lumière

La lumière est une onde électromagnétique, son caractère ondulatoire explique sa diffraction. Tu peux observer la diffraction de la lumière par une simple expérience que tu peux faire toi-même !

Éclaircis une petite fente ou un petit trou par une lampe relativement proche, tu remarqueras qu'à la sortie du trou, le faisceau que tu avais envoyé, diverge rapidement. C'est la diffraction de la lumière !

Phénomène de Diffraction - Points-clés

  • La diffraction est le résultat de l'effet de la frontière sur la propagation d'une onde lorsque celle-ci rencontre soit un obstacle, soit une ouverture.
  • La dimension de l'obstacle a une importance notable dans la diffraction. Ses dimensions par rapport à la longueur d'onde déterminent la configuration des crêtes et des creux une fois que l'onde a franchi l'obstacle.
  • La phase est modifiée par un obstacle suffisamment grand, ce qui entraîne une courbure du front de l'onde.

Questions fréquemment posées en Diffraction

On observe la diffraction d'une onde en la laissant traverser une fente mince.

C'est le caractère ondulatoire de la lumière qui permet d'expliquer la diffraction.

Pour différentes raisons. Une raison étant qu'il est important de comprendre le comportement des ondes quand on les intercepte par des fentes minces relativement à leurs fronts d'onde. Cela nous aidera à comprendre le phénomène d'interférence.

Une autre raison est que la diffraction est l'un des phénomènes qui montrent la nature ondulatoire de la lumière ! 

En divisant la longueur d'onde par l'épaisseur de la fente.

L'épaisseur de la fente doit être de l'ordre de la longueur d'onde pour que l'on puisse observer la diffraction.

Évaluation finale de Diffraction

Diffraction Quiz - Teste dein Wissen

Question

Par rapport à la longueur d'onde, quelle doit être la largeur d'un obstacle pour que l'onde soit perturbée, mais que le front d'onde reste intact ?

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Réponse

La largeur de l'obstacle doit être inférieure à la longueur d'onde.

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Question

Quel type d'obstacles devons-nous prendre en compte lorsque nous étudions la diffraction ?

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Réponse

Ouvertures et fentes

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Question

Quel est l'effet des frontières des obstacles sur la direction de la propagation ?

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Réponse

Les frontières d'un objet font que l'onde génère des fronts d'onde circulaires.

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Question

Quel est un autre phénomène bien connu impliqué dans la diffraction ?

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Réponse

Interférence.

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Question

Comment l'interférence est-elle liée à la diffraction ?

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Réponse

L'obstacle crée des déphasages qui génèrent des interférences constructives et destructives.

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Question

Quelle est la formule permettant de calculer les points d'interférence destructive ?

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Réponse

n λ = d sin θ


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Question

Si un obstacle est plus petit que la longueur d'onde, affecte-t-il la propagation ?

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Réponse

Oui, il l'affecte.

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Question

Lorsqu'il y a un obstacle sur le chemin d'une onde, la diffraction se produit-elle ?

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Réponse

Oui.

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Question

Pourrais-tu expliquer l'effet de flou que l'on peut observer après un obstacle ?

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Réponse

Plus la longueur d'onde est grande, plus la transition entre un maximum et un minimum est lente. Après l'objet, cela se traduit par un effet de flou.

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Question

Quel est l'effet de l'interaction entre une onde et un obstacle sur la phase ?

Montrer la réponse

Réponse

Certains points du front d'onde sont décalés.

Montrer la question

Question

Un déphasage s'est produit. Que cela signifie-t-il ?

Montrer la réponse

Réponse

Cela signifie qu'il y a un désalignement des crêtes et des creux des ondes.

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Question

Quelle qualité d'objet affecte la diffraction ?

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Réponse

Sa largeur.

Montrer la question

Question

Nous avons une onde plane qui se propage vers une ouverture. Juste après le milieu de cette ouverture, que s'attend-on à trouver ?

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Réponse

Un maximum.

Montrer la question

Question

Quelle est la formule permettant de calculer les points auxquels se produit l'interférence constructive ?

Montrer la réponse

Réponse

n (λ / 2) = d sin θ

Montrer la question

Question

Lequel des éléments suivants est un exemple concret de diffraction ?

Montrer la réponse

Réponse

Les deux.

Montrer la question

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