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Les interférences

Par Yann le 07/02/2018 Ressources > Physique-Chimie > Terminale S > Optique > Les Interférences

Que sont les interférences ?

Une interférence est un phénomène de mécanique ondulatoire qui se produit lorsque deux ondes intéragissent.

Il y a interférence en un point de l’espace si deux ondes s’y superposent : en ce point les amplitudes des deux ondes s’additionnent.

Exemple : interférence en un point A entre deux perturbations se propageant à surface de l’eau dans des sens opposés.

Qu'est-ce qu'un Interférence entre deux perturbations à la surface de l'eau Schéma de principe d’interférence de deux ondes au point A.

  1. Le point A n’est encore atteint par aucune perturbation et se trouve à son niveau initial.
  2. Le point A se trouve au niveau d’élévation maximale car les deux perturbations y additionnent leur amplitude maximale : on dit qu’il s’agit d’une interférence constructive.
  3. Le point A retrouve sont niveau initial et les deux perturbations se compensent.
  4. Le point A se trouve au niveau le plus bas car  les deux perturbations additionnent leur  amplitude minimale.

Conditions de formation des interférences

Pour obtenir des interférences stables, il est nécessaire que :

  • Les ondes aient même fréquence
  • Les ondes aient un déphasage constant

Les ondes sont alors dites synchrones. En pratique, ces conditions sont respectées lorsqu’une même source est à l’origine des deux ondes qui interfèrent : grâce à une réflexion ou en divisant une onde en deux faisceaux.

En effet, deux sources de lumière différentes ne sont pas cohérentes. Le déphasage est donc inconstant. De plus, la fréquence des ondes émises est très élevée par rapport à ce que l’œil est capable de détecter. En effet, la lumière nous semble continue. Le déphasage est inconstant mais, surtout varie tellement rapidement que l’œil ne peut percevoir que la moyenne des déphasage. Cette moyenne étant nulle, il n’y a pas d’interférences visibles. L’intensité observée est simplement la somme des deux intensités.

Le déphasage de deux ondes sinusoïdales

Le déphasage entre deux ondes sinusoïdales en un point donné de l’espace permet de prévoir si elles interfèrent de manière constructive ou destructive.
Lorsque deux ondes interférent en un point P de l’espace le déphasage Δφ entre ces dernières est donné par la relation :  

    \[Δφ =2\pi(\tau_{2}-\tau_{1}).\frac{1}{T}\]

  • τ1 est le retard de la première onde au point P  (en seconde)
  • τ2 est le retard de la seconde onde au  point P  (en seconde)
  • T est la période commune aux deux ondes (en seconde)
  • Δφ  est le déphasage (en radian)

Cas particuliers de déphasage

Si le déphasage Δφ est égale à :

  • 0 alors les ondes sont dites en phase
  • π : les ondes sont dites en décalage de phase
  • π/2 : les ondes sont dites en quadrature de phase

Interférences constructives et destructives de deux ondes sinusoïdales

Interférences constructives

On dit qu’une interférence est constructive si elle correspond à la superposition de deux ondes ayant une amplitude maximale.  Pour deux ondes lumineuses monochromatiques les interférences constructives correspondent à une intensité lumineuse maximale.
Une interférence constructive est obtenue dans le cas d’un déphasage égale à un multiple pair de pi, ce qui peut se traduire par la relation suivante : 

    \[Δφ =2k\pi\]

    où k est un nombre entier

Interférences destructives

On dit qu’une interférence est destructive si elle correspond à la superposition de deux ondes ayant une valeur minimale.  Pour deux ondes lumineuses monochromatiques les interférences destructives correspondent à une intensité lumineuse minimale voir nulle.
Une interférence destructive est obtenue dans le cas d’un déphasage égale à un multiple impair de pi, ce qui peut se traduire par la relation suivante :

    \[Δφ =(2k+1)\pi\]

   où k est un nombre entier

Interférence de deux ondes lumineuses monochromatiques

Afin de satisfaire aux conditions de formation des interférences il est courant d’utiliser un dispositif appelé  » fentes d’Young « . Il s’agit de simplement de deux fines fentes parallèles éclairées par la même lumière laser et qui jouent le rôle deux sources distinctes. Ces deux sources secondaires émettent des lumières qui interfèrent grâce au phénomène de diffraction.

La figure d’interférence observée sur un écran est formée d’une alternance de franges sombres et lumineuses qui viennent s’insérer dans la figure de diffraction.

figure d'interférence

Figure d’interférence d’interfrange i obtenue à partir des fentes d’Young
éclairées par une lumière laser

L’interfrange (notée i) entre deux franges sombres est donnée par la relation suivante : 

    \[i=\frac{\lambda.D}{F_{1}F_{2}}\]

  • où i est la distance entre les centres des deux franges sombres successives (en mètre)
  • λ  est la longueur d’onde des deux ondes qui interfèrent (en mètre)
  • F1F2 est la distance entre les deux fentes parallèles (en mètre)
  • D est la distance entre les fentes et l’écran (en mètre)

Les interférences dans la vie courante

Dans l’industrie chimique

Les interférences sont très utilisés pour les appareils d’analyse optique en chimie.

Par exemple l’analyseur infrarouge, volontiers appelé analyseur infrarouge à transformé de fourrier dans l’industrie du vin, en est un exemple. Il s’appelle ainsi car le spectre initialement obtenus est un interférogramme qui nécessite l’intervention de la transformé de fourrier pour obtenir le spectre de la transmittance en fonction du nombre d’onde.

Cette technique permet d’analyser simultanément un large spectre de longueur d’onde et donc de pouvoir obtenir assez simplement et très rapidement un spectre infrarouge d’un échantillon. 

A quoi sert un interférogramme ? A gauche : interférogramme d’un échantillon obtenu par le spectromètre infrarouge. A droite : spectre infrarouge restitué par le logiciel de l’appareil après l’utilisation de la transformé de Fourrier.

 L’holographie

Nous distinguons les objets car ceux-ci modifient la lumière qu’il reçoivent :

  • la longueur d’onde : traduite par l’œil comme la couleur
  • l’amplitude : traduite par l’œil comme étant l’intensité lumineuse
  • le déphasage : il dépend des points de l’objet et donc de la distance à l’œil. Cela permet d’appréhender la profondeur. C’est ce même déphasage d’onde sonore qui permet d’identifier l’origine d’un son dans l’espace.

L’hologramme pourrait être comparer à la de la photographie en 3D. La photographie se « contente » d’imprimer sur un support photosensible l’intensité lumineuse et la longueur d’onde de la lumière en chaque point de l’espace pris en photo. L’hologramme prend en compte le déphasage des ondes.

La création d’un hologramme nécessite d’utiliser les propriétés d’interférences et de diffraction d’un faisceau cohérent (en phase, monochromatique et directive). Le laser est alors la seule source lumineuse possible pour la création d’un support holographique.

Il faut enregistrer sur une plaque photographique par exemple, l’interférogramme d’un faisceau laser divisé en deux par jeu de miroirs :

  • Le premier faisceau est directement projeté sur la plaque photographique : c’est le faisceau de référence
  • le deuxième éclair l’objet dont on souhaite l’hologramme puis est recueilli sur une plaque photographique. les deux faisceaux cohérent mais en déphasage (pas même chemin parcouru) interfèrent
  •  Sur la plaque photographique, les intensités maximum correspondent au point de l’espace ou les deux faisceaux sont en phase. L’intensité dépend également de la luminosité initiale en chaque point de l’objet.

Ensuite, il faut ré-éclairer l’hologramme enregistrée, en général avec le même laser (c’est également possible avec une lumière incohérente), ainsi l’objet est restitué avec l’impression de profondeur donnée par les différences de phase.

Qu'est-ce qu'un hologramme projection d’hologramme avec pointeurs lasers.

A noter que les concerts en hologramme de concert de Claude François ne sont pas en réalité des hologramme au sens optique du terme. Il s’agit en réalité d’un fantôme de Pepper (du nom de celui qui a popularisé la technique). Cette technique utilise en réalité simplement le reflet du chanteur sur un écran transparent au milieu de la scene, de telle sorte qu’il parait être réellement au milieu des musiciens qui eux sont réels.

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ahmed tn
Invité

supeeeeeeeeeeeeeerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr

ahmed tn
Invité

je passe le bac dans 2 mois et je suis en galere totale heureusement que je tombe surr ce site