Objectif d’apprentissage
- Discuter de la façon dont le mouvement des ondes apparaît et de ses propriétés mesurables, en notant les conlcusions de l’expérience de la double fente de Young
Points clés
- Le mouvement ondulatoire apparaît lorsqu’une perturbation périodique quelconque se propage dans un milieu élastique. Les variations de pression dans l’air, les mouvements transversaux le long d’une corde de guitare ou les variations d’intensité des champs électriques et magnétiques locaux dans l’espace, connus sous le nom de rayonnement électromagnétique, sont tous des exemples d’ondes.
- Il existe trois propriétés mesurables du mouvement ondulatoire : l’amplitude, la longueur d’onde et la fréquence.
- Une expérience définitive a été l’expérience des doubles fentes de Young, qui a démontré que la lumière éclairée par deux fentes dans un écran présente un schéma d’interférence caractéristique des ondes de lumière, plutôt que des particules.
- La phase associée à une onde est également importante pour décrire certains phénomènes.
- La vitesse d’une onde est le produit de la longueur d’onde et de la fréquence.
Termes
- amplitudeValeur maximale de la variable atteinte dans l’une ou l’autre direction.
- ondeUne forme qui varie alternativement entre un maximum dans deux directions opposées.
- fréquenceLe nombre de vibrations par seconde.
- longueur d’ondeLa distance parcourue par l’onde dans une période complète (1/fréquence).
Dans cette section, nous nous concentrerons sur les propriétés ondulatoires de la lumière. Alors que vous apprendrez plus tard la dualité onde/particule (comment la lumière se comporte à la fois comme une onde et une particule), nous discuterons ici de la nature ondulatoire de la lumière et des effets expérimentaux de ce comportement.
Introduction au mouvement ondulatoire
Le mouvement ondulatoire se produit lorsqu’une perturbation périodique de quelque nature se propage dans un milieu. Les variations de pression dans l’air, les mouvements transversaux le long d’une corde de guitare, ou les variations d’intensité des champs électriques et magnétiques locaux dans l’espace, qui constituent le rayonnement électromagnétique, sont tous des exemples typiques de mouvement ondulatoire. Pour chaque milieu, il existe une vitesse caractéristique à laquelle la perturbation se déplace.
Il existe trois propriétés mesurables du mouvement des vagues : l’amplitude, la longueur d’onde et la fréquence (le nombre de vibrations par seconde). La relation entre la longueur d’onde λ (lambda grec) et la fréquence d’une onde ν (nu grec) est déterminée par la vitesse de propagation v, telle que
v=\nu \lambda
Pour la lumière, cette équation devient
\nu = \frac{c}{\lambda}
où c est la vitesse de la lumière, 2,998 x 108 m/s.
Lorsque l’on utilise ces équations pour déterminer la longueur d’onde, la fréquence ou la vitesse par manipulation de l’équation, il est important de noter que les longueurs d’onde sont exprimées en unités de longueur, comme les mètres, les centimètres, les nanomètres, etc ; et la fréquence est généralement exprimée en mégahertz ou en hertz (s-1).
Exemple
Quelle est la longueur d’onde de la note de musique A = 440 hz lorsqu’elle est propagée dans l’air dans lequel la vitesse du son est de 343 m s-1?
λ = v (343 m s-1)/ v(440 s-1) = 0.780 m
Expérience de la double fente de Young
Au début du XIXe siècle, le scientifique anglais Thomas Young a réalisé la célèbre expérience de la double fente (également connue sous le nom d’expérience de Young), qui a démontré qu’un faisceau de lumière, lorsqu’il est divisé en deux faisceaux puis recombiné, présente des effets d’interférence qui ne peuvent être expliqués qu’en supposant que la lumière est une perturbation ondulatoire. Si la lumière était strictement constituée de particules ordinaires ou classiques, et que ces particules étaient tirées en ligne droite à travers une fente et pouvaient frapper un écran de l’autre côté, nous nous attendrions à voir un motif correspondant à la taille et à la forme de la fente. Cependant, lorsque l’expérience de la fente unique est réalisée, le motif sur l’écran est un motif de diffraction dans lequel la lumière est étalée. Plus la fente est petite, plus l’angle d’étalement est grand.
De même, si la lumière était strictement constituée de particules classiques et que nous illuminions deux fentes parallèles, le motif attendu sur l’écran serait simplement la somme des deux motifs à fente unique. En réalité, cependant, le motif se transforme en une série de bandes alternativement claires et sombres. Lorsque Thomas Young a démontré ce phénomène pour la première fois, il a indiqué que la lumière était constituée d’ondes, car la distribution de la luminosité peut être expliquée par l’interférence alternativement additive et soustractive des fronts d’onde. L’expérience de Young, réalisée au début des années 1800, a joué un rôle essentiel dans l’acceptation de la théorie ondulatoire de la lumière, remplaçant la théorie corpusculaire de la lumière proposée par Isaac Newton, qui était le modèle accepté de la propagation de la lumière aux 17e et 18e siècles. Près d’un siècle plus tard, en 1905, les recherches d’Albert Einstein, lauréat du prix Nobel, sur l’effet photoélectrique ont démontré que la lumière peut se comporter comme si elle était composée de particules distinctes dans certaines conditions. Ces découvertes apparemment contradictoires ont rendu nécessaire le dépassement de la physique classique et la prise en compte de la nature quantique de la lumière.