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Physique-chimiechapitre21
Dualitéonde-partic ule-Séance2
1Aspectsondulatoireetpa rticulairedelalumière
Ladéter minationdelanaturedelalumièrefutl'objet denom breusescontroversesduran tl'histoire.
1.1Comportementondulatoire
dela lumièr e
DanssonTraitédelalumière,Chr istianHuygens
(1629-1695)décritladi ractionetlesinterfér enceset interprètelalumièrecommelapropagatio nd'uneo nde.
Deuxsiècles plustard,JamesClerkMaxwell(1831-
1879)introduitlathéo riedelapropagationdeso ndes
lavé rificationexpérimentaledelathéorie ondulatoire deMaxwell.La lumièredevie ntalorsunca sparticu- lierd'ondesé lectromagnét iques,delongueursd'onde comprisesentre380et7 80nm.
Définition
Lesphénomènesde di
ractionoud'interférenc es sontdesmanifesta tionsdu..................(1) ..............(2)delalumière.
1.2Comportementparticulaire
dela lumièr e
PourIsaac Newton(1643-1727),lalumièreestcom-
poséedepetitespar ticule smassiquesetrapides.C'es t uneco nceptionparticulairedelalumière.
AudébutduXX
e siècle,AlbertEinstein(1879-1955) proposelemodèleduphoton,qu'o npe utconsidérer commeuneparticule tra nsportantunquantum d'éner- gie. L'e etComptonest unemanif estationde cecompo rtementpar- ticulaire.Cetteexpé- rienceestinter prétée commeunecollisio n, diteélast ique(c'est-à- direavec conservationdel'é nergie),entreunphoton etunélec tr on.Aprèslacollision,lephotonvoitso n
énergiediminuerauprofitde l'électron.
Définition
Certainsphénomènes,commel'e
etCompto n, sontdesmanifest ationsdu..................(3) ...............(4)delalumière .
1.3Dualitéonde-particule
dela lumièr e
Aucours del'histoire,lesphy sicie nsontdoncinter-
prétélanaturedela lumière soitparsoncompo rte men t ondulatoire,soitparsoncompor tementpartic ulaire.
Pourautant ,cesdeuxconceptsisolésso ntinsu
sants pourdécrir edanssonensemblelanaturedela lumière.
Définition
Lesconcept sclassiquesd'......(5)etde
............(6)prisisolé mentson tinsusants pourinterpr étercomplètementlanaturedela lumière.
Remarque
Métaphoreducy-
lindre:Suivan tle s conditionsd'observa- tion,l'ombrep ortée ducy lindreesttantôt undisq ue,tantôtun rectangle.Lanature ducy lindreestpour- tantdi
érentedeces
deuxélémen tsprisiso- lément.
Définition
Lalumières ecomporte tantôt commeune
onde,tantô tcommeuneparticule:cesontle s .............(7)del'expér ience quioriententson tement,onutilisel'express ionde........(8) ..................(9).
Chapitre21P.-M.Chaurand-Pa ge1sur4Séance2
2Particulesmatériellesetonde sdematière
2.1L'hypothèsededeBroglie
Danssathès e,publiéeen 1924,LouisdeBr oglie
(1892-1987)proposedegénéraliserladualitéonde - particule,admisepourlalumière, àtouslesobj etsmi- croscopiques:ilémetainsil'hypothèseq uece double comportementestobservablecheztousleso bjetsmi- croscopiquesdelamatière(électrons,pr oto ns,ne u- trons...). Cettehypothèsees tconfirméeen1927parl'observa- tionduphénomè nededi ractionpourdesélectro ns,en présenced'unobstacleoud'uneouv er ture.Quelques annéesplustard,lephé nomène d'interférencesd'é lec- tronsestobser vé(figureci-de ssus),validantainsicom- plètementl'hypothèsededeBr oglie(prixNobelde physique1929).
Définition
Lesobjets ..................(10)delamatière
(électrons,protons...)présentent,c ommelalu- mière,undoubleaspe cto ndulatoiree tparticu- laire.
2.2Larela tiondedeBroglie
Pourtente rd'unifiercedoublecomportementde la
matière,deBr oglieintroduitlanotiond'ondede matière.Larelationquip orteso nnompermetderelier lesdeuxco nceptscla ssiquesd'ondeetdeparticule.
Définition
Àcha queparticuleenmouv ementestassociéeune
......(11)dematièredelo ngueur d'onde⁄,liée
àlaq uant itédemouvementpdelapa rtic ulepar
lare lationdedeBr oglie: h...........................(12); p..............................(13)(kg ·m·s ≠1 ⁄.....................(14)dematière( m).
Exemple
Soitunélec tr ondemassem
e =9,11◊10 ≠31 kgse déplaçantàlavitessev=400m·s ≠1 .Ca lculerla longueurd'ondedematièr e⁄.
Remarque
Lalongueurd'ondefaitréfére nceàuncompor-
tementondulatoire.
Laquantitédemouvementfaitréfér enceau
comportementparticulaireavecuntranspor tde matière.
2.3Conditionsd'observationdu
comportementondulatoire
Lesphénomènes dedi
ractionoud'interférenc es,liésà lapré senced'unobstacleoud'uneouve rtur e,sontdes manifestationsducomportementondulatoire d'obj ets
Chapitre21P.-M.Chaurand-Pa ge2sur4Séance2
microscopiques.
Définition
Lecompo rtementondulatoiredesobjetsmicrosco-
piquesestsignific atiflorsquela dimensionade l'obstacleoudel'ouverturee st............(15) d'ondedematiè re⁄. Laconst antedePlanckhétantextrêmement faible, lesobje tsdenotrequotidienontunc ompo rtement ondulatoireindécelable.
Exemple
Lejourdu retourauly cée ,lesélèves(demasse moyennem e =60kg )qui passent parl'entrée1899 dulyc ée(largeura=5,0m)av ecunevitesse de2,0m·s ≠1 n'aurontpasdecomport ementon- dulatoireetneserontpa sdi ractés.Justifier.
Remarque
Lecara ctèreondulatoiredesélectronspeutêtr e misàpr ofilda nsunmicroscop eélect roniq ue.Ci- dessus,uneimagedegrains depo llenobservés au microscopeélectronique.
Chapitre21P.-M.Chaurand-Pa ge3sur4Séance2
3Aspectprobabiliste desphénomènesquantiques
3.1Phénomènesquantiques
Les...............(18).............(19)sontlesphé - nomènesoùintervie nnentdeso bjetsmicroscopiquesde lamat ière(électrons,prot ons...)etquines'expliquent pasparles loisclass iquesdelaph ysique.
Remarque
Ladualitéo nde-particulee stunphénomène
quantique. Danslecasde lafigur ed'interfére nces obte nueavec unfa isceaud'électronsetdeuxfent esétroitesetrap- prochées,appeléesfentes( oubifente)deYoung(en- registrementprécédent),lapositiondel'impac tsur l'écrannepermetpasdedé ter minerlatrajectoirede s électrons.Lesélectronssemblen tpasserparle sdeux fentesenmêmetemps,cequi n'aaucuns ens. Dansl'étudedes phénomènesquant iques,lano tionde .............(20)n'estpluspert inente.Onne peut pasdéter minerlatrajectoired'unepart iculeq uima- nifesteuncomporteme nto ndulatoire.
3.2Comportementaléatoire
L'enregistrementprécédentillustrelesinterférence s particuleparparticuleobt enuesav ecdesélectronstra - versantdesfentesdeYoung.La distributio nspatiale desimpacts desélectronssur l'écrans emble........... (21)pourunfaible nombred'électr ons( 8à2000).
Pourunnombre impor tantd'entreeux( 6000élec-
trons),ladistributionesto rdonné e:onobserved'une partdeszone soùlenom bred'impactsestimpor tant, d'autrepartdeszo nesavectrè speud'impac ts.Cette distributionordonnéedesimpactsp euts'interpréter paruncomp ort ement..........(22)delaparticule demat ière.
Remarque
Unsy stèmequiauncomportemen tchaotique
estimprévisible .
Unsy stèmequiauncomportement aléatoire
obéitàunedistribution sta tist ique.
3.3Approcheprobabiliste
Uneét udedemécaniquec lass iquedeladistribution desimpacts n'estpasenvisage ablepourlesphé no- mènesquantiq ues.Lecomportementaléatoirede spar- ticulesquantiquesp ermettoutdemêmed'extrairedes informationsdenature..............(23).
Remarque
Surlafiq ure ci-dessous,le szoneslespluslumi-
neusescorrespo ndentauxzonesoùlaprobabilité d'impactd'unphoton surl'é cranestlaplusim- portante. Àl'opp osé,laprobabilitéd'impactd'unphoton esttrèsfa iblepourleszonesso mbres.
Définition
Lesparticule sdumondemicroscopiquesontso u-
l'étuded'ungrand nombr edeparticulesperme t d'établiruncomport emen t.
Exemple
Unnoy aude
14
Cradioactifaunechancesurdeux
d'êtredésintégré auboutde5720ans.L'étude d'unse ulnoyauradio actifnedonneaucunein- formation,seulel'étuded'ungrandnom brede noyauxpermetd'ex trairedesinformationsde na-quotesdbs_dbs15.pdfusesText_21
Physique Chapitre 3 Terminale S COMPORTEMENTS ONDULATOIRES