Diffraction et interférences

Physique – Ondes et signaux

En résumé

La diffraction et les interférences sont deux phénomènes caractéristiques du modèle ondulatoire de la lumière. La diffraction montre qu’une onde peut s’étaler après une ouverture ou un obstacle. Les interférences montrent que deux ondes cohérentes peuvent se renforcer ou s’atténuer selon leur différence de chemin optique.

Ce qu’il faut savoir faire

• Définir la diffraction et préciser ses conditions d’observation.
• Utiliser θ ≈ λ/a et θ ≈ L/(2D) avec θ en radians.
• Expliquer la superposition de deux ondes cohérentes.
• Distinguer interférences constructives et destructives.
• Utiliser Δ = kλ et Δ = (k+1/2)λ.
• Établir et exploiter l’interfrange i = λD/b.
• Réussir un QCM sur les phénomènes ondulatoires et interpréter une figure expérimentale.

1. La diffraction

a. Définition

La diffraction est un changement de direction de propagation de tout type d’onde lors de la traversée d’une ouverture ou au voisinage d’un obstacle. Elle concerne les ondes lumineuses, les ondes sonores, les ondes mécaniques à la surface de l’eau, etc.

b. Angle caractéristique de diffraction

Pour une ouverture de largeur a, l’angle caractéristique de diffraction est :

Si la figure est observée sur un écran placé à une distance D, et si la tache centrale a une largeur L, alors, pour de petits angles :

On peut donc relier la largeur de la tache centrale à la longueur d’onde et à la taille de l’ouverture :

2. Les interférences

a. Conditions d’observation

Deux vibreurs, deux fentes ou deux sources ponctuelles peuvent créer une figure d’interférences si les ondes produites sont cohérentes. Les ondes doivent avoir la même fréquence et conserver un déphasage constant.

b. Interférences constructives et destructives

En un point M, les interférences sont constructives quand les ondes arrivent en phase ; elles sont destructives quand elles arrivent en opposition de phase.

3. Les interférences de deux ondes lumineuses monochromatiques

On éclaire deux fentes avec une source lumineuse monochromatique. Les fentes jouent le rôle de deux sources cohérentes S₁ et S₂. Sur l’écran, on observe une alternance de franges brillantes et sombres.

a. Différence de chemin optique

Si une onde issue de S₁ parcourt la distance S₁M et une onde issue de S₂ parcourt la distance S₂M avant de se superposer au point M, la différence de chemin optique est :

Dans la configuration des fentes de Young, pour de petits angles :

où b est l’écartement des fentes, D la distance fentes-écran et x la position du point M par rapport au centre de la figure.

b. Franges brillantes et sombres

c. Interfrange

L’interfrange est la distance entre deux franges brillantes consécutives ou entre deux franges sombres consécutives.

Mots-clés à connaître

diffractionondeonde lumineuseonde sonorelongueur d’ondeouvertureobstacleangle caractéristique de diffractionradiantache centraleapproximation des petits anglesinterférencesondes cohérentessources cohérentesfréquencedéphasageamplitudeinterférences constructivesinterférences destructivesdifférence de chemin optiquefrange brillantefrange sombrefigure d’interférencesonde monochromatiquefentes de Younginterfrangeécrandistance fentes-écranécartement des fentesordre d’interférenceen phaseopposition de phaselaserréseaumodèle ondulatoire

Carte mentale de synthèse

Méthode express

Phrase modèle :
La figure observée met en évidence le comportement ondulatoire de la lumière. Dans le cas d’une fente unique, l’étalement de la tache centrale traduit une diffraction. Dans le cas de deux fentes cohérentes, l’alternance de franges brillantes et sombres traduit des interférences.

Erreurs fréquentes

QCM interactif

Clique sur une réponse : la case devient verte si c’est juste, rouge si c’est faux. Certaines questions peuvent avoir plusieurs bonnes réponses.

La diffraction et les interférences montrent que la lumière se comporte comme une onde : elle peut s’étaler, se superposer et créer des franges brillantes ou sombres.