TP Physique N° 02

Détermination de

l'épaisseur

d'un cheveu.

Correction.

 

   

Programme 2010 :

Programme 2010 : Physique et Chimie

 

Objectifs : 

-  Montrer qu’il est possible de déterminer une longueur que l’on ne peut pas mesurer (l’épaisseur d’un cheveu est trop petite pour être mesurée avec un double décimètre).

-  Mettre en œuvre une méthode indirecte de mesure d’une petite dimension en utilisant le phénomène de diffraction de la lumière.

-  Réaliser une courbe d’étalonnage et l’exploiter.

 

Matériel :

-   Un laser – différents fils calibrés fixés sur un support de diapositives – un écran –

-   un double-décimètre – un cheveu – microscope.

 

 Ne jamais regarder directement le faisceau de lumière d’un laser.

I - Étude qualitative.

1)- Principe.

2)- Schéma.

 3)- Manipulation 1 :

4)- Manipulation 2 :

5)- Conclusion.

II - Étude quantitative.

1) Mesures.

2)- Exploitation.

3)- Détermination de l'épaisseur d'un cheveu.

I- Étude qualitative.

1)- Principe.

-    On éclaire un écran avec un laser.

-    On interpose sur le trajet du faisceau laser une fente verticale de largeur réglable ou un fil très fin.

2)- Schéma.

RédigerFaire le schéma du dispositif.

Montage

Vue de profil

Sécurité

-     Pour réaliser de bonnes mesure, il faut que : d 10 cm et D 6,0 m.  

-     Après avoir réglé les valeurs de d et D, il ne faut plus les faire varier lors des différentes mesures.

-     Le seul paramètre qui doit changer, c’est la largeur de la fente ou l’épaisseur du fil.

3)- Manipulation 1 : utilisation de la fente réglable.

ManipulationAu départ la fente est large (1 mm à 2 mm), puis on diminue progressivement la largeur de celle-ci.

RédigerIndiquer les observations.

RédigerFaire le schéma du dispositif vu de dessus  et vu de profil pour représenter :

-    Les taches de diffractions,

-    Le faisceau de lumière de la source laser à la fente,

-    Les faisceaux de lumière de la fente jusqu’aux taches lumineuses sur l’écran.

-    Lorsque la fente est large, la tache laissée par le faisceau laser sur l’écran n’est pas modifiée.

Lorsque la largeur de la fente diminue, on observe l’étalement de la tache. 

 

Vue de profil :

 

4)- Manipulation 2 :

On remplace la fente par un fil très fin.

-    Puis on fait varier l’épaisseur du fil.

RédigerIndiquer les observations.

-    Que peut-on dire du principe de la propagation rectiligne de la lumière ?

-    Comment varie la largeur de la tache centrale lorsque l’épaisseur du fil diminue ?

-    Lorsqu’on place un fil très fin sur le trajet du faisceau laser, on observe l’étalement de la tache laissée par le faisceau laser sur l’écran.

-    La lumière ne se propage plus en ligne droite lorsqu’elle rencontre un objet de petite dimension.  

-    Lorsque l’épaisseur du fil diminue, la largeur de la tache centrale augmente.

 

5)- Conclusions.

-    Lorsque la lumière rencontre un objet de petite dimension, on observe une figure de diffraction.

-    Cela est dû au phénomène de diffraction

-    Phénomène qui apparaît lorsque l’obstacle rencontré par l’onde est du même ordre de grandeur que sa longueur d’onde λ.

 

II- Étude quantitative.

1)- Mesure de la largeur L de la tache centrale de diffraction pour différents fils calibrés.

RédigerReproduire et compléter le tableau suivant :

 

a

4

6

8

10

12

10

20

22

a μm

          

          

          

         

         

 

         

         

L cm

 

 

 

 

 

 

 

 

Tableau de mesures.

22

20

14

12

10

8

6

4

a μm

220

200

140

120

100

80

60

40

L (cm)

1,8

2,0

2,9

3,3

3,9

4,9

?

?

 

-     Remarque : il manque les fils de 6/100 de mm et 4/100 de mm

2)- Exploitation.

-    Tracer le graphe de L (largeur de la tache) en fonction de du diamètre a du fil. 

-     Pour cela, choisir une échelle judicieuse.

-    Quelles sont les caractéristiques de la courbe obtenue ? existe-t-il une relation simple entre L et a ?

Graphe :

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-    Échelles : abscisses : a  20 μm      1 cm   et  ordonnées : L  1 m       2 cm  

-    La courbe L = f (a) est une fonction décroissante de a.

-    Quand la valeur de a augmente, la valeur de L diminue.

-    Les points ne sont pas alignés.

-    Il n’existe pas de relation simple entre L et a.

 

3)- Détermination de l’épaisseur d’un cheveu ou d’un crin de cheval.

-    Chaque groupe  travaille en équipe (technicien, secrétaire) :

RédigerDéterminer un mode opératoire permettant de déterminer l’épaisseur d’un cheveu ou d’un crin de cheval.

RédigerMettre au point la manière dont vous allez procéder.

RédigerIndiquer le matériel utilisé. Définir la ou les expériences à réaliser.

RédigerFaire un schéma. 

RédigerExpliquer la démarche adoptée.

-    Après concertation, on choisit une méthode parmi celles qui sont proposées et on réalise la mesure.

-    FaFaire la mesure et donner la valeur de l’épaisseur d’un cheveu ou d’un crin de cheval.

Utilisation de la courbe d'étalonnage.

Détermination de l'épaisseur du crin de cheval à l'aide de la courbe d'étalonnage :

  -  Méthode utilisée :

-    On remplace le fil très fin par le crin de cheval ou le cheveu.

  -  On effectue les réglages afin d’observer la figure de diffraction.

  -  Il faut se placer dans les mêmes conditions que précédemment.

  -  L’écran doit se trouver à la même distance du crin que les différents fils qui ont permis de tracer la courbe d’étalonnage.

  -  Mesure : pour le crin de cheval : L crin 2,8 cm et pour le cheveu   L cheveu 5,3 cm

  -  Première estimation : 

-    On peut affirmer que   140 μm a crin  <  200  μm  et que a cheveu   <  80 μm.

  -  On utilise la courbe d’étalonnage.

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