• Introduction
  • L'histoire de la nature de la lumière
    • Introduction
    • Les idées de la théorie corpusculaire
    • Les idées de la théorie ondulatoire
    • Le triomphe de la théorie ondulatoire
    • Conclusion
  • La vitesse de la lumière est au coeur des expériences
    • Introduction
    • Romer prouve que la vitesse de la lumière n'est pas infinie
    • Fizeau met en place une ingénieuse expérience
    • Foucault précise la vitesse de la lumière
    • Conclusion
  • L'avènement électromagnétique de la lumière
    • Introduction
    • Les débuts de l'électromagnétisme : Ampère et Faraday
    • Maxwell précise la nature électromagnétique de la lumière
    • La théorie électromagnétique de nos jours
    • Conclusion
  • Notre mesure de la vitesse de la lumière
    • Introduction
    • Présentation, description du four à micro-ondes
    • Les ondes stationnaires au cœur du four à micro-ondes
    • Notre expérience et notre mesure de la vitesse de la lumière
    • Conclusion
  • Conclusion

I.3 Le triomphe de la théorie ondulatoire

Introduction
I.3.1 Deux arguments expérimentaux en faveur de la théorie ondulatoire
I.3.1.1 Le phénomène de diffraction de la lumière
I.3.1.1.1 Diffraction par un trou
I.3.1.1.2 Diffraction par une fente (verticale)
I.3.1.2 Le phénomène des interférences (fentes de Young)
I.3.2 Foucault et son miroir tournant en 1850 : Une expérience cruciale

I
ntroduction

A
u cours du 19ème siècle la théorie ondulatoire s’installe solidement. La nature ondulatoire de la lumière est mise en évidence par certaines expériences comme le font Young et Fresnel avec les interférences et la diffraction. Et enfin, nous verrons la confirmation expérimentale de cette théorie par la fameuse expérience "cruciale" menée à bien par Léon Foucault.

I.3.1 
Deux arguments expérimentaux en faveur de la théorie ondulatoire

I.3.1.1 L
e phénomène de diffraction de la lumière

D
écouverte d’un point de vue historique par le physicien Grimaldi en 1665 et expliquée par Fresnel beaucoup plus tard, la diffraction de la lumière, est interprétée correctement pas la théorie ondulatoire de la lumière de Huygens. Cette expérience permet alors de mettre en évidence la nature ondulatoire de la lumière.

P
our observer ce phénomène, il suffit de posséder une source lumineuse monochromatique (une seule longueur d’onde) comme un LASER, de la placer devant un dispositif avec une ouverture circulaire ou une fente et un écran derrière perpendiculairement à la direction du faisceau Laser. (figure 1 et 2)

I.3.1.1.1 Diffraction par un trou




Fig.1

Fig.2

A
près avoir traversé l’orifice de très petite dimension (1mm, 0,5mm, 0,2mm), le faisceau laser cylindrique s’élargit en faisceau conique. On observe donc sur l’écran une figure de diffraction (figure 3). Ce phénomène se produit lorsque l’ouverture par laquelle la lumière passe est de petite taille. L’ouverture a diffracté la lumière du laser.



Fig.3

Fig.4

S
ur l’écran placé perpendiculairement au faisceau on observe alors une tache lumineuse entourée d’anneaux alternativement éclairés et noirs. Aussi, on s’aperçoit que la majorité de l’intensité lumineuse se trouve dans la tache centrale (figure 4). Contrairement à ce que l’on pourrait croire, plus le trou diminue de diamètre, plus la tache centrale augmente de diamètre et plus la diffraction est visible. On admet que ce phénomène montre bien que la lumière est une onde et met en défaut sa propagation rectiligne.

I.3.1.1.2 Diffraction par une fente (verticale)

Fig.5



Fig.6

O
n renouvelle l’expérience cette fois en plaçant une mince fente sur le trajet du faisceau laser. Cette fois-ci on observe sur l’écran une tache centrale brillante au centre, qui est deux fois plus large que les autres taches se trouvant perpendiculairement à l’axe de la fente (figure 5). L’énergie lumineuse se trouve encore concentrée dans la tache centrale (fugure 6). La lumière subit encore une fois le phénomène de diffraction.

E
n conclusion, lorsque la lumière rencontre une ouverture ou un obstacle de petite dimension, la diffraction se produit et est caractéristique des ondes. Ce phénomène est le principe de Huygens. Ces expériences peuvent dorénavant être interprétées par la théorie ondulatoire et confirment l’hypothèse de la nature ondulatoire de la lumière.

I.3.1.2 Le phénomène des interférences (fentes de Young)

En 1801, le physicien et médecin Thomas Young, met en évidence le phénomène optique des interférences avec sa fameuse expérience des doubles fentes. Cette expérience, tout comme la diffraction, confirme encore la nature ondulatoire de la lumière. Il s’agit d’observer des franges d’interférences car les ondes lumineuses se superposent.

Fig.7

P
our ce faire le dispositif expérimental consiste à placer une lampe émettant une lumière monochromatique et éclairant une fente F horizontale devant laquelle est placé un écran vertical comportant deux fentes très fines et horizontales S1 et S2 distantes de quelques millimètres, disposées symétriquement par rapport à S (figure 7), c'est les fentes de Young.

Fig.8

Fig.9

S
ur un écran placé dans la zone où les faisceaux lumineux issus de S1 et S2 se recouvrent, on observe des franges alternativement brillantes et sombres comme on le voit sur la figure 9 : Ce sont des franges d’interférences qui répartissent périodiquement l’intensité (figure 8). Comment la somme des éclairements produits par les faisceaux lumineux émis par les fentes sources S1 et S2, peut-elle engendrer l'obscurité des franges sombres ? L'explication de ce phénomène a été donnée successivement par Young (1804) et par Fresnel (1815) grâce à la théorie ondulatoire de la lumière. D’ailleurs, à titre indicatif, le principe qui s’utilise pour calculer l’intensité lumineuse lors des interférences est appelé le principes de Huygens-Fresnel. Nous le passerons ici, puisqu'il fait appel à des connaissances mathématiques au delà de notre niveau, et ce n'est pas le but principal de notre projet.

E
n conclusion, ce phénomène d’interférences des ondes qui découle aussi de la diffraction est encore une fois interprété seulement avec la théorie ondulatoire de la lumière. Cette expérience constitue encore un argument très solide en faveur de la théorie de la lumière de Huygens. Par ailleurs, dans cette même période, grâce à ce phénomène, le physicien Auguste Fresnel montre que la lumière est une onde transversale, c’est à dire que le mouvement de l’éther est perpendiculaire au déplacement de l’onde.

M
ais les interférences et la diffraction ne sont que deux arguments d'observations, ils sont interprétables seulement par la théorie des ondes mais ils ne réfutent en rien la théorie corpusculaire. C’est quarante ans plus tard que Léon Foucault vas trancher entre les deux et révolutionner la physique moderne.

I.3.2 F
oucault et son miroir tournant en 1850 : Une expérience cruciale

E
n 1850, le physicien et astronome Léon Foucault (dont nous exposons la biographie en deuxième partie) décide de se lancer dans l’étude de la vitesse de la lumière (un sujet très passionnant en physique), il en fait d’ailleurs son sujet de thèse de doctorat : "Sur la vitesse relative de la lumière dans l’air et dans l’eau". Il est question de montrer s'il existe une quelconque différence de la vitesse de la lumière dans l’air et dans l’eau. Cela pourrait ainsi prouver la théorie ondulatoire et supprimer enfin la théorie corpusculaire.

P
our ce faire, Foucault met en place un dispositif faisant appelle à un miroir et pas n’importe lequel. Il s’agit d’un miroir tournant (figure 10) très puissant fonctionnant par compression d’air et ayant une vitesse de rotation autour de 600 à 800 tours par seconde ! Sa vitesse de rotation était estimée par rapport au son qu’il produisait ce qui empêchait donc toute tentative de mesure de la vitesse de la lumière par manque de précision.. Ce miroir a été inventé par le physicien Arago (figure 11), qui par des problèmes de santé, dû abandonner l’expérience. Cette très ingénieuse expérience consiste à l’étude de la vitesse de propagation d’un rayon lumineux dans l’eau par rapport à l’air.


Fig.10

Fig.11, François Arago

D
ans son dispositif, Foucault a aussi utilisé une lame semi-réfléchissante pour pouvoir réfléchir vers un oculaire, la lumière renvoyée par le miroir tournant et une lentille convergente pour placer en un seul point les rayons provenant de l’héliostat. Il a posé aussi deux miroir M et M’ dont le chemin parcouru par la lumière de vers M’ est fait d’un long tube de 3 mètres de long contenant de l’eau.

C
onsidérons tout d’abord la vitesse de la lumière dans l’air. Lorsque le miroir tournant est immobile, la lumière provenant de a est réfléchie par la lame semi-réfléchissante en a sur l’oculaire. Maintenant lorsque le miroir est mis en rotation, le temps que la lumière fasse un aller-retour entre M et m, elle arrive en a’ mais plus exactement en a’ sur l’oculaire. Foucault remarque donc un décalage lorsque le miroir est en mouvement. Ceci est du à la vitesse de la lumière car pendant son aller-retour, le miroir tournant a tourné d’un angle très petit. Il reste plus qu’à faire la même chose pour un rayon traversant le tube d’eau. Il ne faut pas oublier que Foucault utilise une autre petite lentille L’ pour compenser la réfraction produite par l’eau afin d’éviter de fausser les résultats.

Fig.12
Les échelles ne sont pas respecter car le tube contenant de l’eau mesurait
3m mais l’ouverture seulement 3mm.

L
orsque le rayon lumineux provenant le l’héliostat arrive sur m, il est réfléchi vers M’ et effectue un aller-retour de 3 mètres dans le tube d’eau. Aussi, entre temps, le miroir m a tourné d’un angle. Si la lumière va plus vite dans l’eau alors l’angle fait par le miroir est encore plus petit que l’angle précédemment fait pour l’air et donc on devrait voir dans l’oculaire un déplacement du rayon lumineux entre a et a’. Cela confirmerait ainsi la théorie corpusculaire réduisant à néant la théorie ondulatoire. Or si le contraire se produit, si le faisceau lumineux (a’’) est plus dévié que a’, alors l’angle du miroir est encore plus grand et donc la lumière va moins vite dans l’eau. Evidemment ici, il ne s’agit d’aucuns calculs mathématiques, seulement d’un résultat qualitatif.

C'
est ainsi que le 27 avril 1850, Foucault voit apparaitre dans son oculaire une déviation plus grande pour la lumière qui a traversé l’eau que celle qui a traversé l’air. C’est fait, la lumière va plus vite dans l’air que dans l’eau. La théorie corpusculaire (ou émission) a vécu, elle a connue son heure de gloire mais est "incompatible avec les faits" : la théorie ondulatoire triomphe enfin ! La lumière est bien une onde !

Fig.13, Thèse de Foucault (1853)