Exercices corrigés à imprimer pour la tleS – Interférences – Terminale
Exercice 01 : Interférences lumineuses photon par photon
Un faisceau laser de longueur d’onde λ = 620 nm est envoyé sur un système de deux fentes d’Yong. La largeur de chacune d’elles est e = 5 µm et elles sont distantes de d = 0,1 mm. Un écran de largeur b = 5cm est placé parallèlement au plan des fentes d’Young à une distance L = 1 m (voir la figure ci-dessous). Il est formé d’une paroi photosensible initialement blanche, qui fait apparaître une petite tache noire à l’endroit où un photon l’a frappée. Le laser utilisé est réglé de telle sorte qu’il émet photon par photon.
Expérience habituelle
Calculer l’interfrange des franges d’interférences.
Quelle est la couleur des franges « brillantes » et celles des franges « sombres » ?
Combien de franges sombres pourra-t-on distinguer sur l’écran après une durée assez longue ?
Un photon peut-il frapper l’écran en un point M sur une frange sombre ?
Tentative d’explication de l’aléa. Pour expliquer la figure d’interférence obtenue dans le dispositif des fentes d’Young, on fait le raisonnement suivant : chaque photon passe aléatoirement par l’une des deux fentes. Par suite, avant l’émission de chaque photon par le laser, on tire au sort l’une des deux fentes et on occulte l’autre. Le photon ne peut donc passer que par la fente choisie.
Que subit le faisceau laser quand il passe à travers une fente unique de largeur e?
Calculer la largeur de la tache centrale caractéristique de ce phénomène. En déduire que l’unique photon constituant ce faisceau peut frapper indifféremment n’importe quel point de l’écran.
En déduire que l’expérience ainsi menée ne donne pas le même résultat que l’expérience habituelle. Conclure.
Exercice 02 : Mesure la taille d’une fibre
Une équipe de chercheurs travaille à l’étude d’une étoffe prélevée sur un site historique. C’est un tissu de fils de laine de diamètre A, chaque fil est lui-même une tresse de filaments d’origine animale de diamètre a. les filaments sont formés de molécules polymères de longueur moyenne α enchevêtrées. Ces molécules sont formées de longues chaînes carbonées.
En passant la main à plat sur le tissu, il paraît presque lisse, mais en l’explorant avec le doigt, on sent distinctement les mailles. Dans quelle mesure cela permet-il d’avoir un ordre de grandeur de A?
On prélève un fil de laine. Il paraît noir quand on l’éclaire en lumière visible bleue. Quelle est sa couleur ? Rappeler en quelques mots comment agit le pigment sur la lumière blanche.
On prélève un filament, on le tend et on le place entre un faisceau laser de longueur d’onde λ = 461 nm et un écran situé à la distance D =2 m du filament. On observe une tache centrale brillante de largeur d = 3,2 cm. Déterminer la valeur de a.
On distingue les molécules polymères grâce à un microscope électronique dont les électrons, de masse m = 9,1 x 10-31 kg, ont une vitesse v = 2,5 x 105 m.s-1. En déduire l’ordre de grandeur de α….
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