Interférence, diffraction et principe de superposition

L'interférence se produit lorsque les ondes interagissent les unes avec les autres, tandis que la diffraction se produit lorsqu'une onde traverse une ouverture. Ces interactions sont régies par le principe de superposition. L'interférence, la diffraction et le principe de superposition sont des concepts importants pour comprendre plusieurs applications des ondes.

Lorsque deux ondes interagissent, le principe de superposition dit que le résultat fonction d'onde est la somme des deux fonctions d'onde individuelles. Ce phénomène est généralement décrit comme ingérence.

Prenons un cas où de l'eau coule dans une cuve d'eau. S'il y a une seule goutte frappant l'eau, cela créera une vague circulaire d'ondulations à travers l'eau. Si, toutefois, vous deviez commencer à faire couler de l'eau à un autre moment, ce serait aussi commencer à faire des vagues similaires. Aux points où ces vagues se chevauchent, l'onde résultante serait la somme des deux vagues précédentes.

Cela ne vaut que pour les situations où la fonction d'onde est linéaire, c'est-à-dire où elle dépend de X et t seulement au premier Puissance. Certaines situations, comme un comportement élastique non linéaire qui n'obéit pas La loi de Hooke, ne correspondrait pas à cette situation, car il a une équation d'onde non linéaire. Mais pour presque toutes les ondes traitées en physique, cette situation est vraie.

Cela peut être évident, mais il est probablement bon d'être également clair sur le fait que ce principe implique des vagues de type similaire. De toute évidence, les vagues d'eau n'interfèrent pas avec les ondes électromagnétiques. Même parmi des types d'ondes similaires, l'effet est généralement limité à des ondes de pratiquement (ou exactement) la même longueur d'onde. La plupart des expériences impliquant des interférences garantissent que les ondes sont identiques à ces égards.

L'image de droite montre deux ondes et, en dessous, comment ces deux ondes sont combinées pour montrer des interférences.

Lorsque les crêtes se chevauchent, l'onde de superposition atteint une hauteur maximale. Cette hauteur est la somme de leurs amplitudes (ou deux fois leur amplitude, dans le cas où les ondes initiales ont une amplitude égale). La même chose se produit lorsque les creux se chevauchent, créant un creux résultant qui est la somme des amplitudes négatives. Ce type d'interférence est appelé ingérence constructive car il augmente l'amplitude globale. Un autre exemple non animé peut être vu en cliquant sur l'image et en avançant vers la deuxième image.

Alternativement, lorsque la crête d'une vague chevauche le creux d'une autre vague, les vagues s'annulent dans une certaine mesure. Si les ondes sont symétriques (c'est-à-dire la même fonction d'onde, mais décalées d'une phase ou d'une demi-longueur d'onde), elles s'annuleront complètement. Ce type d'interférence est appelé interférence destructrice et peut être visualisé dans le graphique à droite ou en cliquant sur cette image et en avançant vers une autre représentation.

Dans le cas précédent d'ondulations dans une cuve d'eau, vous verriez donc certains points où la les ondes d'interférence sont plus grandes que chacune des ondes individuelles et certains points où les ondes s'annulent autre.

Un cas particulier d'interférence est appelé diffraction et se produit lorsqu'une vague frappe la barrière d'une ouverture ou d'un bord. Au bord de l'obstacle, une onde est coupée et elle crée des effets d'interférence avec la partie restante des fronts d'onde. Étant donné que presque tous les phénomènes optiques impliquent la lumière passant par une ouverture quelconque - que ce soit un œil, un capteur, un télescope, ou autre chose - la diffraction a lieu dans presque tous, bien que dans la plupart des cas l'effet soit négligeable. La diffraction crée généralement un bord "flou", bien que dans certains cas (comme l'expérience de Young à double fente, décrite ci-dessous), la diffraction puisse provoquer des phénomènes d'intérêt à part entière.

L'interférence est un concept intrigant et a certaines conséquences qui méritent d'être notées, en particulier dans le domaine de la lumière où une telle interférence est relativement facile à observer.

Dans L'expérience à double fente de Thomas Young, par exemple, les motifs d'interférence résultant de la diffraction de la "vague" lumineuse permettent de faire briller une lumière uniforme et le diviser en une série de bandes claires et sombres simplement en l'envoyant à travers deux fentes, ce qui n'est certainement pas ce à quoi on pourrait s'attendre. Ce qui est encore plus surprenant, c'est que la réalisation de cette expérience avec des particules, comme les électrons, donne des propriétés similaires à des ondes. Toute sorte de vague présente ce comportement, avec la configuration appropriée.

L’application des interférences la plus fascinante est peut-être de créer hologrammes. Cela se fait en réfléchissant une source de lumière cohérente, comme un laser, hors d'un objet sur un film spécial. Les motifs d'interférence créés par la lumière réfléchie sont ce qui aboutit à l'image holographique, qui peut être visualisée lorsqu'elle est à nouveau placée dans le bon type d'éclairage.