Le portail a été désactivé. Veuillez contacter l'administrateur de votre portail.

Fiche explicative de la leçon : Interférence des ondes lumineuses Physique

Dans cette fiche explicative, nous apprendrons à définir l’interférence des ondes et à décrire l’interférence constructive et destructive des ondes qui sont mutuellement en phase ou déphasées.

Supposons que deux objets matériels, c’est-à-dire des objets faits de matière, se déplacent vers le même point et atteignent le point en même temps. Lorsque les objets sont suffisamment proches du point de contact, ils entrent en collision. Les objets exercent alors des forces l’un sur l’autre et changent ainsi leur direction du mouvement. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Supposons maintenant que deux faisceaux lumineux se dirigent vers le même point et atteignent le point en même temps. Lorsque les faisceaux lumineux atteignent le point vers lequel ils se déplacent, ils passent tous les deux ce point sans changement de direction du mouvement. Ceci est illustré par le schéma suivant, où les fronts d’onde successifs des deux faisceaux sont représentés par les lignes vertes et roses.

Supposons maintenant que nous remplaçons chacun des faisceaux par une impulsion constituée d’une seule longueur d’onde.

Nous pouvons d’abord modéliser les ondes lumineuses comme des ondes transversales qui ont des valeurs de déplacement à différentes positions. Les positions de ces impulsions et les déplacements des impulsions aux points situés autour de leurs positions à deux instants sont illustrés sur le schéma suivant.

Les deux impulsions finiront par atteindre une position où elles se chevauchent. À cette position, les impulsions vont interférer les unes avec les autres.

L’interférence entre deux impulsions est plus simple à modéliser pour deux impulsions qui se déplacent le long de la même ligne dans des directions opposées, comme indiqué sur le schéma suivant.

Considérons la situation où les fronts des ondes des deux impulsions qui arrivent atteignent le même point en même temps, comme indiqué sur le schéma suivant.

Pour comprendre ce qui se passe lorsque des ondes lumineuses interfèrent, il est utile de rappeler que les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques. Les ondes lumineuses exercent des forces électriques et magnétiques. Le déplacement de l’onde en un point indique la direction et l’intensité relative de la force.

Nous pouvons représenter les forces exercées en des points équidistants le long d’une impulsion avec des flèches qui correspondent aux vecteurs de force, comme le montre le schéma suivant.

En utilisant cette manière de représenter les ondes électromagnétiques, les deux impulsions atteignant le même point en même temps peuvent être représentées par le schéma suivant.

La croix rouge indique le point où les impulsions se rencontrent. Il n’y a pas de force exercée par l’une ou l’autre impulsion en ce point.

Nous pouvons maintenant imaginer ce qui se passe quelques instants plus tard, lorsque les impulsions commenceront à se chevaucher. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Nous pouvons voir qu’au point où les impulsions se sont rencontrées pour la première fois, les flèches des deux impulsions ont maintenant la même direction.

Deux vecteurs peuvent être ajoutés en connectant les têtes d’un vecteur à la queue de l’autre vecteur. Si toutes les forces dues aux deux impulsions sont maintenant considérées comme des forces, sans distinction entre les deux impulsions, on peut représenter les forces comme ceci sur le schéma suivant.

Nous pouvons voir qu’au point où les impulsions commencent à interférer, elles produisent une force qui est la somme des forces dues à l’une ou l’autre impulsion en ce point.

Il y a deux manières particulièrement intéressantes dont les ondes peuvent interférer.

Considérons deux impulsions d’onde de même longueur et de même amplitude.

Le premier cas intéressant est celui où les vecteurs de force en chaque point des deux impulsions ont la même direction. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Dans ce cas, les impulsions sont dites en phase l’une avec l’autre ou ont un déphasage égal à zéro. Dans ce cas, le vecteur de force résultant en chaque point a une intensité maximale. L’interférence entre les impulsions est appelée interférence constructive.

Le deuxième cas intéressant est celui où les vecteurs de force en chaque point des deux impulsions ont des directions opposées. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Dans ce cas, les impulsions sont dites en opposition de phase, ou qu’elles ont une différence de phase de 180. Dans ce cas, le vecteur de force résultant en chaque point a une intensité minimale. L’interférence entre les impulsions est appelée interférence destructive.

La différence de phase peut avoir n’importe quelle valeur. Le schéma suivant illustre quelques-unes des différences de phase possibles entre deux ondes identiques.

Il est important de noter qu’une différence de phase de 360 est équivalente à une différence de phase de 0.

Regardons maintenant un exemple dans lequel deux ondes produisent des interférences.

Exemple 1: Identifier l’onde résultante de deux ondes qui interfèrent

Les deux ondes représentées sur le graphique ont la même fréquence, la même longueur d’onde et le même déplacement initial. Si les deux ondes interfèrent, lequel des graphiques, A, B, C et D, montre le mieux l’onde résultante par rapport aux deux ondes identiques?

Réponse

Les deux ondes qui interfèrent peuvent être modélisées comme deux ensembles superposables de vecteurs de force équidistants, comme le montre le schéma suivant.

Chaque paire de vecteurs en un point est additionnée, comme le montre le schéma suivant.

Chaque paire a la même direction et la même intensité. Cela signifie que chaque vecteur conserve la même direction et double son intensité.

Les réponses B et D montrent que les intensités des vecteurs sont décroissantes, et la réponse C indique que les intensités des vecteurs ne changent pas.

Seule la réponse A montre un doublement uniforme de l’intensité des vecteurs, c’est donc la bonne réponse.

Regardons maintenant un autre exemple.

Exemple 2: Identifier l’onde résultante de deux ondes qui interfèrent

Les deux ondes représentées sur le schéma ont la même fréquence et la même longueur d’onde, mais des déplacements initiaux différents. Si les deux ondes interfèrent, lequel des schémas - A, B, C et D - montre le mieux l’onde résultante par rapport aux deux ondes?

Réponse

Les deux ondes qui interfèrent peuvent être modélisées comme deux ensembles superposables de vecteurs de force équidistants, comme le montre le schéma suivant.

Chaque paire de vecteurs en un point est additionnée. Chaque paire a la même intensité et la même direction opposée. Cela signifie que chaque vecteur devient nul.

Les réponses A, C et D montrent des intensités non nulles des vecteurs.

Seule la réponse B indique une intensité nulle des vecteurs, c’est donc la bonne réponse.

Jusqu’à présent, nous avons examiné les impulsions d’une onde d’environ une longueur d’onde. Nous pouvons appliquer ce que nous avons vu concernant de telles impulsions à des ondes qui ont un nombre quelconque de longueurs d’onde.

Considérons maintenant un exemple impliquant des ondes constituées d’un nombre arbitraires de longueurs d’onde.

Exemple 3: Identifier la nature de l’interférence entre deux ondes qui interfèrent

Deux ondes de mêmes longueurs d’ondes et de mêmes fréquences se déplacent dans la même direction, l’une devançant l’autre d’une longueur d’onde entière. L’interférence entre les ondes est-elle constructive, destructive, ou ni constructive ni destructive?

Réponse

Les deux ondes peuvent être représentées sur un schéma, l’une à côté à l’autre, pour faciliter leur comparaison. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Nous pouvons voir que dans la direction où les ondes se déplacent, le point à partir duquel l’onde représentée en bleu commence à se déplacer a 1 longueur d’onde en avance sur la position à partir de laquelle l’onde représentée en rouge commence à se déplacer.

On peut voir sur les lignes verticales reliant les deux ondes que les sommets et les creux des deux ondes coïncident.

Les sommets et les creux des ondes représentent l’intensité maximale des forces exercées par les ondes, avec la direction des forces correspondant à un sommet opposée à celle correspondant à un creux.

De là, nous voyons que les forces exercées par les ondes agissent toujours dans la même direction, et par conséquent, les forces résultantes sont toujours supérieures à celles dues à l’une des deux ondes.

Une augmentation des forces exercées le long de toute la région dans laquelle les ondes existent, indique que les ondes interfèrent de manière constructive.

Lorsque des ondes d’intensité égale interfèrent de manière destructive, la force exercée par l’onde résultante en tout point de sa longueur est nulle. L’amplitude de l’onde résultante est donc nulle.

L’amplitude d’une onde est l’intensité du déplacement maximal de l’onde. Une onde d’amplitude non nulle a néanmoins un déplacement nul en différents points sur sa longueur.

Regardons maintenant un exemple qui examine la relation entre l’amplitude d’une onde et le déplacement en différents points de l’onde.

Exemple 4: Identifier la nature de l’interférence en différents points entre deux ondes qui interfèrent

Deux ondes de même fréquence et de même longueur d’onde se croisent et se déplacent dans des directions opposées. Les deux ondes ont une amplitude de 1 cm. Les ondes interfèrent pour produire une onde résultante. Le schéma montre le déplacement de points sur l’onde résultante à un instant donné.

  1. L’interférence des deux ondes au point A est-elle constructive ou destructive?
  2. L’interférence des deux ondes au point B est-elle constructive ou destructive?

Réponse

Partie 1

Peu de temps avant qu’une partie des deux ondes occupe la même région de l’espace, elles peuvent être représentées comme indiqué sur le schéma suivant.

Une fois que les ondes ont commencé à se chevaucher, elles peuvent être représentées comme indiqué sur le schéma suivant.

Les parties des ondes qui se chevauchent interfèrent. Plus le temps passe, plus la région dans laquelle se produit l’interférence est grande.

Seule la région dans laquelle une interférence se produit est indiquée dans la question. Approximativement, 4 longueurs d’onde de cette région sont représentées sur le graphique pour la question.

On voit qu’au point A, les deux ondes interfèrent pour produire un déplacement résultant égal à l’amplitude de l’onde résultante. Les ondes ont une amplitude égale, et l’amplitude de l’onde résultante n’est clairement pas nulle, et l’interférence en A ne peut donc pas être destructive. La seule autre réponse proposée, l’interférence est constructive, est donc la bonne réponse.

Partie 2

Au point B, le déplacement est nul. Cela peut donner l’idée que l’interférence en B est destructive. Cette idée est cependant incorrecte.

Dans une région où deux ondes de la même fréquence constante se chevauchent, l’interférence est soit constructive, destructive, ou ni l’un ni l’autre dans toute la région. Il n’est pas possible pour une interférence en tout point dans la région d’être constructive, alors qu’ailleurs l’interférence est destructive. La différence de phase entre les ondes est constante dans toute la région.

Les ondes interfèrent de manière constructive en A, et elles doivent donc également interférer de manière constructive en B. Le déplacement de l’onde résultante en B est égal à zéro. Cela signifie que le déplacement de l’une ou l’autre des ondes contributives en B doit être nul. Un point en lequel ces déplacements sont tous nuls est indiqué sur le schéma suivant.

Résumons maintenant ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

  • Les ondes lumineuses interfèrent lorsqu’elles occupent la même région de l’espace en même temps.
  • Le déplacement résultant de deux ondes interférentes en un point est la somme des déplacements de ces ondes en ce point.
  • Lorsque les ondes qui interfèrent ont une différence de phase égal à zéro, elles interfèrent de manière constructive.
  • Lorsque les ondes qui interfèrent ont une différence de phase 180, elles interfèrent de manière destructive.
  • Deux ondes de fréquence égale qui interfèrent ont une différence de phase constant dans toute la région dans laquelle elles interfèrent.

Nagwa utilise des cookies pour vous garantir la meilleure expérience sur notre site. En savoir plus sur notre Politique de Confidentialité.