I

A

I.3.1 

I.3.1.1 L

D

P

I.3.1.1.1 Diffraction par un trou

Fig.1

Fig.2

A

Fig.3

Fig.4

S

I.3.1.1.2 Diffraction par une fente (verticale)

Fig.5

Fig.6

O

E

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.

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.

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.

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.

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.

oucault et son miroir tournant en 1850 : Une expérience cruciale

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.

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.

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.

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.

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.

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 !