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Vidéo de question : Expliquer la visibilité du faisceau laser Physique

La figure représente le faisceau émis par une source de lumière laser verte. Le faisceau est vu perpendiculairement à sa longueur. Laquelle des réponses suivantes explique le plus correctement pourquoi le faisceau vert semble être constitué de nombreuses particules ponctuelles? [A] Le faisceau produit une onde longitudinale. [B] Le faisceau produit un motif d’interférence des régions claires et sombres. [C] Les particules ponctuelles vues sont des électrons individuels ionisés de l’air par le faisceau laser. [D] La plupart de la lumière émise se déplace parallèlement au faisceau, et seuls quelques rayons sont suffisamment dispersés pour se déplacer perpendiculairement à la direction du faisceau. [E] Les particules ponctuelles vues sont des photons individuels dans le faisceau, et le faisceau a une intensité si faible qu’il y a un espace important entre les photons individuels.

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Transcription de vidéo

Le schéma représente le faisceau émis par une source de lumière laser verte. Le faisceau est vu perpendiculairement par rapport à sa longueur. Laquelle des réponses suivantes explique le mieux pourquoi le faisceau vert semble être constitué de nombreuses particules ponctuelles? (A) Le faisceau produit une onde longitudinale. (B) Le faisceau produit un motif d’interférence avec des zones claires et sombres. (C) Les particules ponctuelles vues sont des électrons individuels de l’air ionisés par le faisceau laser. (D) La plupart de la lumière émise se déplace parallèlement au faisceau, et seuls quelques rayons sont suffisamment dispersés pour se déplacer perpendiculairement à la direction du faisceau. (E) Les particules ponctuelles vues sont des photons individuels dans le faisceau, et le faisceau a une intensité si faible qu’il y a un espace important entre chaque photon.

On a donc cinq options de réponse ici. Et pour les voir toutes en même temps, libérons de l’espace en haut de notre écran, puis notons les versions raccourcies des réponses (A), (B) et (C). La réponse (A) dit essentiellement que le faisceau est une onde longitudinale. La réponse (B) dit que le faisceau laser est un diagramme d’interférence avec des zones claires et sombres. La réponse (C) peut être résumée en disant que les points lumineux que nous voyons dans notre schéma sont des électrons individuels de l’air qui ont été ionisés par le faisceau laser.

Maintenant qu’on voit toutes nos options de réponse, regardons notre schéma. On nous dit qu’on a ici une source de lumière laser verte qui émet un faisceau se propageant vers la droite. C’est-à-dire que lorsqu’on regarde cette image, nous regardons perpendiculairement à la direction du faisceau. Cette partie est importante. Chaque fois que des photons sont émis par un laser, non seulement ils sont en phase les uns avec les autres, mais ils se déplacent également dans la même direction. Cela signifie que si on place notre œil ici, ce qui correspond à la façon dont on regarde ce faisceau, de manière perpendiculaire, les photons du faisceau auront tendance à passer devant notre œil mais à ne pas l’atteindre. Et si les photons du faisceau n’atteignent pas notre œil, le faisceau est invisible pour nous.

Si ce faisceau laser se déplaçait dans le vide et que nous le regardions perpendiculairement, nous ne verrions absolument rien. Mais dans ce cas, le faisceau ne se déplace pas dans le vide. Il se déplace dans l’air. Par conséquent, il existe des particules dans lesquelles les photons du faisceau peuvent percuter avant de se disperser.

Considérons que ceci est une particule d’air dans le trajet du faisceau. Les photons du faisceau pourraient se disperser dans presque toutes les directions en sortant de cette particule. Et c’est le processus par lequel tous ces petits points verts sont visibles à nos yeux. Ce sont des endroits où les photons sont dispersés par les particules d’air et dans la bonne direction pour qu’ils atteignent notre œil. Plus il y a de dispersion, plus il est probable que les photons atteignent notre œil. Mais à cette densité d’air, avec cette grande diffusion, nous voyons que ce ne sont que quelques dizaines de photons qui semblent atteindre notre œil. Les autres se déplacent dans la direction initiale du faisceau ou sont dispersés dans une autre direction que notre œil ne peut pas voir.

En pensant maintenant à nos options de réponse, puisqu’on sait que ces points verts sont en fait des photons du faisceau d’origine, cela signifie que ce ne sont pas des électrons individuels. On barre la réponse (C). Le choix de réponse (B) dit que le faisceau est un motif d’interférence. Cependant, pour que des interférences se produisent, il doit y avoir plus d’un faisceau. Un faisceau ne peut pas interférer avec lui-même sans être divisé délibérément avant de recombiner les deux faisceaux sur une trajectoire. On ne choisira donc pas non plus la réponse (B).

La réponse (A) indique que le faisceau est une onde longitudinale. Cependant, comme il s’agit d’un faisceau laser, c’est-à-dire une onde électromagnétique, nous pouvons rappeler que la lumière se propage non pas comme une onde longitudinale mais comme une onde transversale. On ne sélectionnera pas la réponse (A). Regardons ensuite la réponse (E), cette option affirme que les particules ponctuelles que nous voyons, ces petits points verts, sont des photons individuels dans le faisceau. C’est vrai, mais cette réponse n’affirme pas que ce sont des photons dispersés. En d’autres termes, la réponse (E) maintient que ces photons individuels se déplacent toujours vers la droite. Cependant, si tel était le cas, ils n’atteindraient pas notre œil. Et par conséquent, ils seraient invisibles pour nous.

Il est en général possible que les faisceaux laser aient une intensité inférieure ou supérieure. Cela correspond à un nombre inférieur ou supérieur de photons dans un certain volume du faisceau. Il se pourrait alors qu’un rayon laser soit constitué de peu de photons. Cependant, si on regarde perpendiculairement ce faisceau constitué de peu de photons, comme nous le faisons, on ne pourra voir aucun de ces photons. Ils auraient besoin d’être réfléchis par quelque chose pour atteindre notre œil. On ne peut donc pas choisir non plus la réponse (E).

C’est la réponse (D) qui est correcte. La plupart de la lumière émise par la source laser se déplace parallèlement au faisceau. Et seuls quelques rayons sont suffisamment dispersés pour se déplacer perpendiculairement à la direction du faisceau afin que notre œil puisse les voir.

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