Vidéo question :: Déterminer quel diagramme montre les ondes lumineuses cohérentes Physique

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Dans chacun des diagrammes suivants, cinq ondes lumineuses sont représentées. Lequel des diagrammes montre une lumière cohérente ?

La lumière cohérente dans cette question signifie des ondes cohérentes, puisque la lumière peut être representée comme une onde. Ainsi, lorsque cette question demande lequel des diagrammes montre une lumière cohérente, on nous demande en réalité lequel des diagrammes montre cinq ondes lumineuses qui sont toutes cohérentes.

Afin de comprendre cela, rappelons ce qui rend deux ou plusieurs ondes lumineuses cohérentes. Les ondes en question doivent avoir la même fréquence et un déphasage constant. Les ondes, au pluriel, ne sont cohérentes que les unes par rapport aux autres. Une onde ne peut pas être cohérente ou incohérente par elle-même. Alors, que signifient ces deux qualificatifs de même fréquence et de même déphasage constant ? Et, plus important encore, comment pouvons-nous les reconnaître dans un diagramme comme celui-ci ?

Commençons par regarder les ondes qui partagent la même fréquence. Rappelons que la fréquence d’une onde est le nombre de cycles de cette onde passant un point fixe par unité de temps. L’unité de fréquence standard est un hertz, abrégé en Hz, un hertz étant égal à un cycle d’ondes passant un point fixe par seconde. À quoi cela ressemble : si nous avons une onde qui se déplace vers l’avant, nous pouvons assigner un point fixe en avant de cette onde et quand elle se propagera vers l’avant, elle atteindra le début de ce point fixe, qui est le moment où nous commencerons à mesurer le temps. L’onde continue alors jusqu’à ce que le temps unitaire soit atteint, dans ce cas une seconde. Cette onde a un cycle complet au moment où elle passe le point fixe en une seconde, ce qui signifie que cette onde a une fréquence d’un hertz. Pour que soit de deux hertz, il faudrait qu’il se passe deux cycles d’onde complets au moment où elle passe le point fixe en une seconde.

Les ondes à plus haute fréquence ont plus de cycles complets par unité de temps. Ainsi, en regardant le nombre de cycles d’ondes complets pour ces ondes, nous pouvons déterminer lesquels ont des fréquences plus ou moins élevées. Et puisque toutes ces ondes sont des ondes lumineuses, cela signifie qu’elles ont la même vitesse, la vitesse de la lumière 𝐶, à condition qu’elles traversent toutes le même milieu, ce que nous supposons être le cas ici, ce qui signifie que toutes les ondes lumineuses de ces diagrammes parcourent la même distance pendant la même durée, car elles ont toutes la même vitesse.

Nous ne connaissons pas le temps exact nécessaire aux ondes lumineuses pour aller d’une extrémité à l’autre du diagramme. Mais nous n’avons pas besoin de nombres exacts. Il suffit de déterminer si elles ont la même fréquence en regardant les ondes, c’est-à-dire que les ondes ont le même nombre de cycles complets à partir du même point fixe. Avec certaines ondes, c’est facile à dire, car toutes les parties de ces ondes peuvent s’aligner. Les pics et les creux de ces ondes s’alignent. Et une inspection plus approfondie révèle qu’elles réalisent toutes les deux un cycle complet, ce qui signifie qu’elles ont de la même fréquence.

Mais toutes les ondes n’ont pas la même phase. Considérons maintenant cette troisième onde, qui, en y regardant de près, se compose également d’un cycle complet, ce qui signifie que ces trois ondes ont la même fréquence. La troisième onde a juste un déphasage. Mais si les ondes sont cohérentes ou non, cela dépend aussi de la phase, en particulier si les ondes ont un déphasage constant entre elles. Rappelons quelle est la phase générale d’une onde en regardant ici la première et la troisième onde.

La phase d’une onde est utilisée pour mesurer et comparer des points spécifiques sur une onde et elle est généralement mesurée en radians, comme 𝜋 sur deux, ou en degrés, comme 90 degrés. Chaque partie d’une onde sinusoïdale typique, comme celle-ci, a une valeur de phase qui lui est associée. Pour économiser de l’espace, nous ne listons ces mesures qu’en degrés.

Le début d’une onde sinusoïdale, qui est à mi-hauteur et qui monte, est de zéro degré. Le pic d’une onde est de 90 degrés. Le point médian, qui se produit à mi-hauteur descendante, est de 180 degrés. La partie la plus basse, ou creux, de l’onde est de 270 degrés. Et la fin d’une onde, qui est à mi-hauteur vers le haut, est de 360 degrés. Ou puisque la fin d’une onde est le début d’une nouvelle, ce point peut également être zéro degré, mais toutes les ondes ne commencent pas à zéro degré. Le premier point de cette onde est au sommet d’une onde, ce qui signifie qu’elle commence réellement à 90 degrés. De même, son deuxième point est à la moitié de la hauteur, donc il fait 180 degrés. Le troisième point, le creux, est 270. La demi-hauteur qui monte est 360 ou zéro, et le dernier point est à nouveau à un sommet de 90 degrés. Ces deux ondes ont des valeurs de phase différentes aux mêmes instants, ce qui signifie qu’elles ont un déphasage.

Les ondes lumineuses qui se déplacent vers l’avant se répètent et finissent par passer par toutes les phases d’une onde. Mais même si la phase devient différente avec le temps, ce n’est pas un déphasage. Un déphasage c’est lorsque deux ou plusieurs ondes ont une phase différente au même instant. L’onde en haut a une phase de zéro degré, et l’onde en bas a une phase de 90 degrés, au même instant. Le déphasage entre une phase de 90 degrés et zéro degré n’est bien sûr que de 90 degrés.

Lorsque vous ne regardez que deux ondes, ce déphasage doit rester constante pour les deux ondes à tous les instants, à condition bien sûr que les ondes elles-mêmes soient cohérentes. Nous ne pouvons pas faire cette hypothèse pour les ondes irrégulières, qui changent de fréquence lors de leur déplacement. Mais pour ces deux ondes, ça devrait aller. La mesure des deux phases différentes à tout moment devrait toujours donner une différence de 90 degrés, car rappelez-vous que ces ondes sont censées être cohérentes.

Mais soyez prudent lorsque vous mesurez le début ou la fin des ondes, les parties qui pourraient être de zéro ou de 360 degrés. Par exemple, la mesure de la phase à cet instant pour les deux ondes nous donne 270 et zéro ou 360 degrés. Si nous choisissons la phase sur l’onde en bas comme étant de zéro degré, notre déphasage serait de zéro moins 270 degrés, ce qui revient à moins 270 degrés, ce qui n’est pas 90 degrés. Si nous utilisons plutôt une valeur de 360 degrés, alors nous voyons qu’elle sort à 90 degrés. Nous avons donc montré que ces deux ondes ont un déphasage constant de 90 degrés en tous points. Et nous avions montré précédemment qu’elles ont également la même fréquence, ce qui signifie que ces deux ondes répondent aux exigences pour être cohérentes entre elles.

Trouver si deux ondes ont un déphasage constant pour savoir si elles sont cohérentes est assez facile, car si elles ont la même fréquence, il est très probable qu’elles aient aussi un déphasage constant. Mais nous ne regardons pas seulement deux ondes. Nous regardons cinq ondes. La définition de la cohérence de ces ondes ne change pas. Elles ont toujours besoin d’un déphasage constant et de la même fréquence. Mais rencontrer ces conditions est plus difficile avec davantage d’ondes.

Ces trois ondes ont ici la même fréquence, car elles consistent toutes en un cycle complet sur la même période. Mais tous les trois n’ont pas un déphasage constant. Les deux premières ondes ont les mêmes parties de l’onde présentes au même instant. Elles sont en phase l’une avec l’autre. Cela signifie que leur déphasage est toujours de zéro degré. Mais si nous regardons le déphasage entre deux et trois ou un et trois, comme nous l’avions fait précédemment, nous trouverions que le déphasage est de 90 degrés. Et 90 degrés n’est pas égal à zéro degré, ce qui signifie que ces trois ondes ont un déphasage non constant et ne sont donc pas cohérentes entre elles.

Avec tout cela en tête, commençons par regarder les diagrammes contenant les cinq ondes lumineuses, en commençant par le diagramme (A). Les ondes du diagramme (A) ont toutes des déphasages différents. Celui-ci commence juste avant un pic, celui-ci juste avant une creux, et ceux-ci en différents points. Ces ondes ont un déphasage non constant et ne sont donc pas cohérentes, même si elles se ressemblent et peuvent avoir la même fréquence. Donc (A) n’est pas la bonne réponse.

Alors regardons plutôt (B). Il y a un problème similaire. Les ondes ne sont pas en phase en même temps et elles ont toutes des déphasages différents. En d’autres termes, tout comme (A), ces ondes ont un déphasage non constant et ne sont donc pas cohérentes les unes avec les autres.

Voyons si (C) est différent. (C) contient des ondes de différentes fréquences, ce qui est évident lorsque nous comparons l’onde centrale et l’onde inférieure. Les ondes de différentes fréquences ne peuvent pas être cohérentes, donc (C) n’est pas la bonne réponse. Et un coup d’œil rapide sur les ondes du diagramme (D) montre également qu’elles ont des fréquences différentes, ce qui signifie que (D) n’est pas non plus la bonne réponse.

En regardant maintenant le diagramme (E), nous voyons que les ondes s’alignent les unes sur les autres, même si elles ont toutes des amplitudes différentes. En regardant, par exemple, les seconds pics des ondes, nous voyons qu’ils se produisent tous au même moment, ce qui signifie que le déphasage entre ces ondes est de zéro degré. Ainsi, sur les cinq ondes, il y a un déphasage constant. Et si nous regardons le nombre total de cycles d’ondes à partir du point fixe au début de ces ondes, nous constatons que toutes ces ondes contiennent environ trois cycles d’onde complets, ce qui signifie qu’elles ont toutes la même fréquence.

Ainsi, puisque ces cinq ondes répondent ensemble aux deux critères des ondes cohérentes, le diagramme qui montre la lumière cohérente pour ses cinq ondes lumineuses est le diagramme (E).