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optique ondulatoire (MP) · Chapitre 4 · Exercice de TD

Lire une photo d'anneaux : épaisseur et excédent fractionnaire

Interférences par division d'amplitude : l'interféromètre de Michelson · C. Configuration lame d'air : anneaux d'égale inclinaison · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Un Michelson réglé en lame d'air est éclairé par la raie verte du mercure, . Un capteur photographique est placé dans le plan focal d'un objectif de focale . Sur la photo, on mesure les rayons des six premiers anneaux brillants, numérotés à partir du centre : ; ; ; ; ; .

1) On note l'ordre au centre, en général non entier, et son excédent fractionnaire. Montrer que l'anneau brillant a l'ordre et, pour les petits angles, que .

2) Par une régression linéaire de en fonction de , déterminer et .

3) La vis micrométrique de permettrait-elle d'obtenir ?

4) Évaluer le plus grand angle utilisé. En reprenant l'exploitation avec la loi exacte ( et ), on trouve et . Commenter.

Corrigé

La stratégie. La loi des anneaux, linéarisée, fait de une fonction affine de : la pente contient , l'ordonnée à l'origine contient l'excédent fractionnaire. Une photo donne donc deux informations, dont l'une est inaccessible autrement.

1) La loi linéaire. L'ordre est maximal au centre et décroît vers le bord (exercice 2). Le premier anneau brillant rencontré en partant du centre a le plus grand ordre entier inférieur ou égal à , soit ; les suivants ont les ordres , , etc. : . (Écrire , qui n'est pas entier, est une erreur classique.) Donc . Pour les petits angles, et donnent et, avec : On retrouve l'échelle des rayons rencontrée à l'exercice 3.

2) La régression. Les carrés des rayons valent, en : ; ; ; ; ; . Ils croissent de environ par anneau : la loi affine est vérifiée. La régression donne une pente et une ordonnée à l'origine . D'où

L'ordre au centre est donc d'environ , avec un excédent de . Homogénéité : est une longueur.

3) Ce que la vis ne donne pas. Pour obtenir à partir de , il faudrait connaître à mieux qu'une unité près, donc à mieux que , soit en relatif . Une vis graduée au centième de millimètre en est à quarante fois. C'est l'intérêt de la photo : l'excédent fractionnaire se lit directement sur la position des anneaux.

4) La loi exacte. Le plus grand angle vaut , environ . Les approximations et y faussent d'une erreur relative d'environ (développer et à l'ordre ) ; cette erreur croît avec et pèse donc sur la pente : la loi exacte donne , soit un écart de avec la loi approchée. L'excédent, lui, varie peu ( dans les deux cas). Remarque : les deux valeurs de diffèrent de , ce qui change de plusieurs unités : on retrouve, sur les données elles-mêmes, que l'épaisseur ne fixe pas l'excédent fractionnaire. La loi linéarisée suffit pour un réglage ; pour une mesure à près, on garde la loi exacte.

Ce que l'exercice installe. La numérotation correcte des anneaux, , et la linéarisation affine en : la pente donne l'épaisseur, l'ordonnée à l'origine l'excédent fractionnaire. Et le réflexe de chiffrer une approximation avant de s'y fier.

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