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Vidéo question :: Déterminer quelle figure montre une lumière incohérente parmi cinq ondes lumineuses Physique • Troisième année secondaire

Dans chacune des figures suivantes, cinq ondes lumineuses sont représentées. Quelle figure montre une lumière incohérente ? [A] Figure A [B] Figure B [C] Figure C [D] Figure D [E] Figure E

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Transcription de la vidéo

Dans chacune des figures suivantes, cinq ondes lumineuses sont représentées. Quelle figure montre une lumière incohérente ?

La cohérence ou l’incohérence des ondes dépend de deux facteurs : la fréquence des ondes et la différence de phase des ondes. Plus précisément, pour que deux ondes lumineuses ou plus soient cohérentes, elles doivent avoir la même fréquence et une différence de phase constante. D’autres propriétés des ondes, comme la hauteur ou l’amplitude, n’ont pas d’importance pour déterminer si elles sont cohérentes ou non.

Nous voulons donc examiner chacune des cinq ondes de ces cinq figures pour déterminer quel ensemble d’ondes est incohérent, c’est-à-dire « Quel ensemble d’ondes n’a pas la même fréquence ou un déphasage constant ? » Nous pouvons parfois regarder les ondes et déterminer ces propriétés simplement par l’observation. Par exemple, ces deux ondes se ressemblent beaucoup, à part leur amplitude. Et c’est parce qu’elles ont la même fréquence et une différence de phase constante, ce qui signifie qu’elles sont cohérentes les unes avec les autres.

Mais une simple observation ne suffit pas. De très petits changements dans la différence de fréquence ou de phase peuvent impliquer une différence ou non entre la cohérence des ondes. Donc, ne vous fiez pas à une simple observation. Afin de comparer avec précision la fréquence des ondes alors qu’on nous donne des ondes sans nombre, nous regardons combien de cycles d’ondes complets il y a sur la même période de temps et les comparons les uns aux autres. Dans ce cas, ces deux ondes consistent en un cycle complet sur la même période, ce qui signifie qu’elles doivent avoir la même fréquence.

Voyons maintenant la recherche de la différence de phase, ce qui peut être un peu plus délicat. C’est parce que, bien que les différences de phase puissent être assez évidentes parfois, elles peuvent aussi être subtiles. Un bon moyen de déterminer si plusieurs ondes ont une différence de phase constante, entre elles, est de choisir un point de l’onde généralement le pic, car il est facile à repérer, puis de déterminer si ces parties des ondes se produisent au même point au fil du temps, ce qui n’est pas le cas pour ces trois ondes. La troisième onde a un léger déphasage, ce qui signifie qu’il n’y a pas une différence de phase constante entre ces trois ondes. Donc, ces trois ondes ensembles sont incohérentes.

Avec tout cela en tête, commençons par regarder les ondes lumineuses dans les figures, en commençant par la figure (A). Lors de la première observation de toutes ces ondes, nous pouvons remarquer qu’elles ont des amplitudes différentes. Mais encore une fois, cela n’a pas d’importance pour savoir si les ondes sont cohérentes ou non, seulement la différence de fréquence et de phase. Donc, pour déterminer la fréquence de ces ondes, comptons le nombre de cycles complets de chaque onde. Nous constaterons, lorsque nous aurons terminé, que chaque onde a huit cycles complets, ce qui signifie que ces ondes ont toutes la même fréquence.

Maintenant, pour déterminer si elles ont une différence de phase constante entre elles, regardons les pics. Au même instant, tous les pics sont alignés, et pas seulement les premiers pics, mais tous les autres pics, ce qui indique une différence de phase constante. Il est important de regarder plus d’un instant pour déterminer si les ondes ont une différence de phase ou non, car même les ondes avec une différence de phase peuvent parfois s’aligner. Mais ce n’est pas le cas ici ; toutes ces ondes sont cohérentes, ce qui signifie que la figure (A) ne montre pas une lumière incohérente.

Alors regardons (B) maintenant. La figure (B) est un cas où une simple observation peut suffire. Nous n’avons pas besoin de regarder de très près pour déterminer qu’il s’agit de la même onde répétée cinq fois, composée de 12 cycles complets, et bien sûr alignée en tout point. Les ondes de la figure (B) sont toutes cohérentes.

Alors regardons (C). Toutes ces ondes se composent d’environ 11 cycles complets et un quart de cycle, ce qui signifie qu’elles ont la même fréquence. Et tous les pics alignés indiquent une différence de phase constante, ce qui signifie que les ondes de la figure (C) sont cohérentes.

Nous allons donc devoir maintenant regarder la figure (D). Les ondes de la figure (D) se composent toutes du même nombre de cycles complets d’ondes, environ 3 et demi. Et tous les points que nous choisissons sont tous alignés au même instant, ce qui signifie une différence de phase constante. Donc, tout comme les trois dernières figures, la lumière de la figure (D) est cohérente.

Nous devons donc maintenant nous concentrer sur la figure (E). Lorsque nous examinons pour la première fois toutes ces ondes individuellement, nous pouvons remarquer que la troisième onde a un petit écart par rapport à son point de départ. Les quatre autres ondes commencent toutes vers la moitié de l’onde qui redescend, tandis que la troisième commence un peu plus haut et se termine aussi un peu plus haut. Et lorsque nous mesurons le nombre de cycles complets d’ondes pour ces ondes, nous constatons que cette troisième onde en a 12, tandis que toutes les autres ondes en ont 15. Cette troisième onde n’a pas la même fréquence que les quatre autres. C’est pourquoi il est important de compter le nombre de cycles complets, car sinon cela aurait été difficile à repérer.

Cette figure montre également pourquoi il est important de regarder plus d’un point dans le temps pour déterminer s’il y a une différence de phase, puisque les pics des quatre autres ondes sont presque alignés sur la troisième ici. Mais ici, ce n’est clairement pas le cas. Même si ce n’est que la troisième onde qui a une différence de fréquence et une différence de phase non constante par rapport aux autres, il suffit d’une seule onde pour rendre un ensemble d’ondes incohérent. Donc, parce que cette troisième onde a une fréquence différente et une différence de phase non constante, la figure (E) est celle qui montre une lumière incohérente.

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