Rechercher, extraire et organiser l’information utile
télécharger 68.86 Kb.
|
Sciences Physiques - Chimiques Terminale scientifique-Comprendre Table des matières1. Photon et onde lumineuse 2 1.A. Caractérisations de l’onde. 2 1.B. La lumière 4 2. Dualité Particule matérielle et onde de la lumière 5 2.A. L’effet photoélectrique 5 3. Particule matérielle et onde de matière – relation de Broglie 6 3.A. Faits expérimentaux 6 4. Relation de Broglie. 7 4.A. Approche théorique 7 4.B. Application de la relation de de Broglie 9 5. Synthèse 10 DUALITE ONDE - PARTICULE 1.A.a. Onde et Expériences d’interférence et de diffraction 1.A.a.1. Ondes Une onde est une « vibration » qui se propage (voir le lien http://www.ostralo.net/3_animations/swf/onde_sonore_plane.swf) et qui peut être représentée par une fonction sinusoïdale. Imaginez, par exemple, une personne qui agite horizontalement une corde avec son bras. Cette dernière sera le siège d’une onde mécanique et prendra un profil sinusoïdal. L’état vibratoire d’un point M de la corde (hauteur par rapport au sol) sera fonction du temps et de la position de M. Si on photographie la corde (c'est-à-dire que l’on a « figé »le temps), on pourra mesurer sur la photographie de la corde la plus petite distance qui sépare de points de cette dernière dans le même état vibratoire. Cette distance est la longueur d’onde (période spatiale). Maintenant on regarde un point de la corde et on cherche au bout de combien de temps on reverra ce point dans le même état vibratoire. Ce temps est la période T (période temporelle). C’est l’inverse de la fréquence N. La période spatiale ou la longueur d’onde et la période temporelle T sont reliées par la vitesse de l’onde ou célérité V par la relation  .Schématisez l’expérience décrite ci-dessus ; en déduire la relation entre la fréquence et la longueur d’onde.   Sources : http://www.afblum.be/bioafb/chloropl/chloropl.htm et http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/ 1.A.a.2. Phases expérimentales Notion d’onde : Deux « signatures » ou conséquences inhérentes des ondes sont les « interférences » et la « diffraction ». Ceux-ci sont des phénomènes observables. Cela implique que si un « phénomène inconnu » interfère ou diffracte, il sera alors possible de le représenter par une onde.
Animations : http://subaru.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/optiphy/interf3.html http://www.discip.ac-caen.fr/phch/lycee/terminale/interferences_eau/interference.htm En étudiant le lien : http://www.discip.ac-caen.fr/phch/lycee/terminale/interferences_eau/interference.htm - Comment varie la distance (mesurée suivant la verticale) entre deux franges i lorsque l’on modifie la distance entre les deux sources a. Vérifiez que i est inversement proportionnel à a. - Comment varie la distance (mesurée suivant la verticale) entre deux franges i lorsque l’on modifie la longueur d’onde des ondes émises par les deux sources a. Vérifiez que i est inversement proportionnel à . -Comment varie la distance entre deux franges i (mesurée suivant la verticale) lorsqu’on s’éloigne suivant l’horizontale de l’axe des deux sources. On appellera D la distance entre l’axe des sources et la verticale de la meure de i. - Monter que la relation  rend compte de vos constatations. On appelle i interfrange.
Animations : http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/flash/diffractionslit.swf http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/eau/diffraction.htm En étudiant le lien : http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/eau/diffraction.htm - Comment sont les zones qui délimitent l’angle . (il y a extinction) - Comment varie l’angle lorsque l’on modifie l’ouverture a. - Comment varie l’angle lorsque l’on modifie la longueur d’onde . 1.B.a. Faits expérimentaux de la lumière   En regardant une source lumineuse, que se passe-t-il quand vous fermez doucement vos paupières, pouvez vous voir un rayon lumineux issu de cette source ? - D’après les deux photographies et après avoir essayé d’isoler un rayon lumineux de la source, que pouvez vous en conclure quant à la nature la lumière ? - Confirmez votre choix en visitant les liens suivants : Interférences http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/interference/interference.htm Diffraction lumineuse http://gilbert.gastebois.pagesperso-orange.fr/java/diffraction/diffraction.html - Vérifiez que les constatations faites pour les interférences et la diffraction des ondes mécaniques se retrouvent pour la lumière. - Visualisez et vérifiez que la symétrie du motif de diffraction se retrouve dans la figure de diffraction. 1.B.b. Conclusion La lumière INTERFERE ET DIFFRACTE, c’est une onde de vitesse ou une onde de célérité dans le vide (2,998 108 m/s). (Pour l’onde, l’énergie est proportionnelle au carré de l’amplitude (de la sinusoïde)). 2.A.a.. Expérience sur l’effet photoélectrique Visiter les liens suivants : http://www.youtube.com/watch?v=YQL2Q5ZArjs&feature=related : expérience http://www.youtube.com/watch?v=CmxAXqDJDdM&feature=related symbolisation musicale de l’expérience http://www.youtube.com/watch?v=0qKrOF-gJZ4&feature=related interprétation de l’expérience 2.A.b. Mise en évidence du seuil en fréquence On constate expérimentalement - que sous un certain seuil en fréquence il ne se produit pas de courant électrique quelle soit l’intensité lumineuse. - le caractère instantané du signal. (L’énergie est concentrée dans un grain de lumière tandis que celle de l’onde doit « imprégner le métal », ce qui demande un délai temporel). 2.A.c. Autre forme de l’aspect énergétique du la lumière Pour rendre compte de l’effet électrique, il faut écrire que l’énergie est proportionnelle à la fréquence N de l’onde lumineuse via la relation :  avec  qui est appelée constante de Planck. Cette énergie est concentrée dans des grains de lumière sans masse.- Calculer ces énergies pour = 600 nm, 0.5 nm, 1 fm ; conclure. 2.A.b. Dualité. L’effet photoélectrique est une preuve de la dualité onde particule de la lumière. Les particules de lumière sont appelées photons. Le photon n’a pas de masse donc son énergie s’écrit avec la formule relativiste :  dans laquelle c est la vitesse de la lumière (2,998 108 m/s) et p la quantité de mouvement.- Trouver la relation entre E, c et . - Montrer qu’il existe une relation simple liant p, h, La relation  est révélatrice la dualité onde particule de la lumière. C’est la démarche onde vers particule d’Einstein pour la lumière.3.A. Découverte de l’électron En 1897, Thomson prouve expérimentalement l'existence des électrons, qui avait été prédite par George Johnstone Stoney en 1874. Cette découverte est le résultat d'une série d'expériences sur les rayons cathodiques. (source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Joseph_John_Thomson). Les physiciens et chimistes ont toujours considéré l’électron comme une particule de matière de masse 9.11 10-31 kg, et de charge fondamentale de -1,6021 10-19 C, et pourtant ils furent surpris par son comportement. 3.B. Comportement des électrons  Visiter le lien concernant le Docteur Quantum et les fentes de Young. http://www.youtube.com/watch?v=SLomOWMUnsQ&feature=related complet sur 7 minutes attention liens sponsorisé mais en français. http://www.youtube.com/watch?v=A7BeqP9Ha_0 incomplet car 5 minutes et répondez au questions : - Citez les différences et les similitudes entre corpuscules et ondes lorsque ces derniers rencontrent une puis deux fentes. (Pour une fente, les ondes se comportent comme les corpuscules ; ils présentent une intensité maximale au centre de l’écran. Pour deux fentes, un phénomène d’interférences permet soit une extinction de l’onde finale soit un maximum de visibilité. Dans ce cas le résultat est très différent pour une source corpuscule.) - Que représente un électron dans le monde quantique. (Une quantité infime de matière) - Décrire les résultats en présence d’une puis deux fentes (Le comportement est similaire aux corpuscules pour une fente mais devant deux fentes ils se comportent comme les ondes, suite à l’obtention de figures d’interférences.) - Serait-il possible que les électrons se soient entrechoqués (L’envoi à la suite d’électrons nous procure la même figure d’interférences. Pour une fente, les ondes se comportent comme les corpuscules ; ils présentent une intensité maximale au centre de l’écran. Pour deux fentes, un phénomène d’interférences permet soit une extinction de l’onde finale soit un maximum de visibilité. Dans ce cas le résultat est très différent pour une source corpuscule.) - Que représente un électron dans le monde quantique ? (L’électron peut se comporter comme une onde, de par les résultats d’interférences.) 4.A.a. Généralisation à toutes particules matérielles de la dualité onde particule Visiter le site : www.ina.fr/video/AFE04002106/monsieur-de-broglie.fr.html : interview de Louis de Broglie e  t répondez au questions :- Quelle fut la place de Louis de Broglie ? - Quel physicien a inspiré sa démarche ? - Dans que domaine travaillait son frère ? 4.A.b. Relation de de Broglie L  ouis Victor de Broglie, prince, puis duc de Broglie (15 août 1892 à Dieppe, France - 19 mars 1987 à Louveciennes, France) est un mathématicien et physicien français. A seulement 37 ans, il devient lauréat du prix Nobel de physique de 1929 « pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons1 »(source http://fr.wikipedia.org/wiki/Louis_de_Broglie ). Louis de Broglie explique qu’à toute particule il est possible d’associer une onde de longueur d’onde  . Sa démarche particule vers onde est inverse de celle d’Einstein.Mais Louis de Broglie généralise le principe de dualité onde particule à toutes les entités. C’est un des plus grands bonds de la physique qui permet de comprendre le monde microscopique et qui conduit à d’immenses champs d’application. La thèse de Louis de Broglie a environ une vingtaine de pages. La constante de Planck h relie la grandeur ondulatoire à la grandeur corpusculaire p. La valeur de h est très faible, les propriétés de l’onde associée se manifeste alors à l’échelle atomique ou subatomique et dans les nanotechnologies. 4.A.b Interprétation de l’onde de Broglie par de Broglie La description du « quanton » est décrite par une fonction d’onde de Erwin Schrödinger (1887-1961) dans la quelle on retrouve l’onde associée de Louis de Broglie et qui permet d’accéder à la probabilité de présence. L'interprétation physique correcte de la fonction d'onde de Schrödinger ne fut donnée qu'en 1926 par Max Born (1882-1970). C’est une interprétation en termes de probabilité. La branche de la physique qui régit la « Fonction d’onde » s’appela tout d’abord la mécanique ondulatoire puis la mécanique quantique.   E. Schrödinger Max Born  Le congrès Solvay de 1927 a réuni les meilleurs physiciens de l'époque, au nombre desquels figurent la plupart des fondateurs de la mécanique quantique. (http://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9canique_quantique) 4.B.a. Diffraction des neutrons sur la matière Nous avons vu dans les phénomènes d’interférences et de diffraction que les figures d’interférences ou d’interférences ont des caractéristiques reliées aux caractéristiques du motif donnant lieu à ces phénomènes. Ainsi une ouverture circulaire crée une figure de diffraction circulaire. La diffraction des neutrons est utilisée pour l’étude de la structure atomique (des cristaux, des liquides ou des gaz). Les effets de l’onde associée se manifestent, quand la valeur de la longueur d’onde de l’onde associée, qui est de l’ordre de celle du motif.   http://nmi3.eu/news-and-media/the-contribution-of-neutrons-to-the-study-of-quasicrystals.html - Le neutron à une masse de 1,67 10 -27 kg, calculer la valeur de sa longueur d’onde de l’onde associé lorsqu’il a une vitesse de 2 km/s. - Comparer cette valeur aux distances interatomiques qui sont de quelques Angströms, qu’en concluez-vous ? (1 Angström= 10-10 m) 4.B.a. Les accélérateurs de particules On se pose souvent la question : Pourquoi, les accélérateurs de particules comme ceux du CERN, sont immenses ? Le plus grand à une circonférence de 27 kilomètres. Pourquoi faut-il d’immenses instruments pour étudier ce qui est minuscule. En effet les dimensions des particules élémentaires sont inférieures au femtomètre ou au fermi (1 fm = 10 -15 m).   Le LHC (Large Hadron Collider au CERN) où sont accélérés actuellement des protons à une énergie de 7 TeV (1 Téra électron Volt = 1012 eV). Comme le montre la figure de gauche l’anneau du LHC était aussi l’anneau du LEP. Le LEP était un accélérateur d’électrons qui fut remplacé par le LHC. Au LEP des électrons étaient accélérés et pouvaient avoir une impulsion p de 100 GeV/c. - Calculer alors la calculer la valeur de sa longueur d’onde de l’onde associé de ces électrons (Giga eV et 1 eV= 1,6021 10-19 J). - En déduire qu’il est alors possible d’étudier les particules élémentaires ? Vous pourrez maintenant répondre à la question. 4.B.c. Nanotechnologie Les nanotechnologies permettent, entre autre, de reconstituer la matière par des assemblages d’atomes alors généralement les chercheurs ont étudié les propriétés microscopiques de la matière en diminuant la taille des échantillons étudiés. La démarche est donc inverse et les effets de la dualité ondes - particules que traite la mécanique quantique a un effet important en nanotechnologie. La mise en évidence par Albert Einstein et la généralisation par Louis de Broglie de la dualité onde – particule, au début du vingtième siècle, est une découverte majeure de la physique. Les plus grands physiciens comme Bohr, Heisenberg, Dirac, Feyman… ont contribué au développement de la physique quantique qui nous permet de comprendre ce qui se passe à l’échelle microscopique (atomes, nucléons et particules élémentaires) et qui a des applications quotidiennes.  |
similaire:
 | | ||
| | De nos jours tous les véhicules (ou presque) utilisent comme source d’énergie principale des carburants | |
 | | ||
| «trous» s’y forment à cause des rejets de gaz cfc (chlorofluorocarbone) contenus dans les réfrigérateurs ou les aérosols. Les conséquences... | | |
| «difficiles». Suite à une vaste campagne publicitaire (50 revues médicales, 50 000 circulaires thérapeutiques, 250 000 lettres aux... | |