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Spécialité Physique-Chimie Terminale

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Diffraction et interférences

Diffraction par une ouverture ou un obstacle et angle caractéristique θ = λ/a ; superposition de deux ondes, cohérence et déphasage ; interférences constructives et destructives de deux sources en phase ; fentes d’Young, différence de chemin optique et interfrange ; mesures d’une longueur d’onde, d’une largeur ou d’un écartement.

À propos de cette page
Trente-six questions en trois niveaux : reconnaître la diffraction et les interférences et leurs grandeurs, puis calculer un angle, une tache centrale, un interfrange ou la nature d’un point, enfin raisonner sur la cohérence, les sources en opposition de phase, le casque antibruit et la lumière blanche.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. La diffraction d’une onde par une ouverture est d’autant plus marquée que :

    • A. l’ouverture est très grande devant la longueur d’onde
    • B. la fréquence de l’onde est très élevée
    • C. l’ouverture est de l’ordre de λ ou plus petite
    • D. la source est très loin de l’ouverture
    Réponse

    C. l’ouverture est de l’ordre de λ ou plus petite — La diffraction est notable quand la taille de l’ouverture est comparable à la longueur d’onde, ou plus petite. Une fréquence élevée correspond à une petite longueur d’onde, donc à moins de diffraction.

  2. Dans la relation θ = λ/a, l’angle θ s’exprime en :

    • A. radians (rad)
    • B. degrés (°)
    • C. mètres (m)
    • D. nanomètres (nm)
    Réponse

    A. radians (rad) — Le quotient de deux longueurs donne un angle en radians. Une conversion en degrés n’est possible qu’après coup.

  3. Deux ondes donnent des interférences stables si elles sont :

    • A. de même amplitude, quelle que soit leur fréquence
    • B. émises par deux lasers identiques
    • C. de fréquences légèrement différentes
    • D. cohérentes : même fréquence, déphasage constant
    Réponse

    D. cohérentes : même fréquence, déphasage constant — La cohérence est la condition clé. Deux lasers indépendants ne sont pas cohérents, même s’ils sont du même modèle.

  4. Pour deux sources en phase, les interférences sont constructives en M si la différence de marche vaut :

    • A. (k + 1/2)λ, avec k entier relatif
    • B. kλ, avec k entier relatif
    • C. λ/k, avec k entier non nul
    • D. k/λ, avec k entier non nul
    Réponse

    B. kλ, avec k entier relatif — Les ondes arrivent en phase si leur décalage est un nombre entier de longueurs d’onde : δ = kλ.

  5. Des fentes d’Young éclairées par un laser donnent sur l’écran :

    • A. une seule tache centrale, uniforme
    • B. des anneaux colorés concentriques
    • C. une ligne lumineuse très fine, sans frange
    • D. des franges brillantes et sombres équidistantes
    Réponse

    D. des franges brillantes et sombres équidistantes — La superposition des deux ondes cohérentes produit des franges rectilignes, parallèles aux fentes et régulièrement espacées.

  6. L’interfrange i est :

    • A. la largeur totale de la tache de diffraction
    • B. l’écart entre deux franges brillantes voisines
    • C. la distance séparant les deux fentes
    • D. la distance entre les fentes et l’écran
    Réponse

    B. l’écart entre deux franges brillantes voisines — L’interfrange est la période spatiale de la figure : distance entre deux franges brillantes (ou sombres) consécutives.

  7. On entend une personne cachée derrière un mur sans la voir. Quel phénomène l’explique ?

    • A. la diffraction des ondes sonores
    • B. la réfraction de la lumière
    • C. l’effet Doppler du son
    • D. une interférence destructive des sons
    Réponse

    A. la diffraction des ondes sonores — Le son, de longueur d’onde comparable aux obstacles courants, les contourne par diffraction ; la lumière, de très petite longueur d’onde, ne le fait pas.

  8. Si l’on diminue la largeur a de la fente, la tache centrale de diffraction :

    • A. rétrécit
    • B. reste identique
    • C. s’élargit
    • D. disparaît
    Réponse

    C. s’élargit — θ = λ/a augmente quand a diminue : la tache centrale s’élargit.

  9. Après la traversée d’une fente, l’onde diffractée garde :

    • A. une longueur d’onde plus grande
    • B. la même longueur d’onde
    • C. une longueur d’onde plus courte
    • D. sa direction de propagation
    Réponse

    B. la même longueur d’onde — La diffraction ne change ni la fréquence ni la célérité, donc ni la longueur d’onde : seule la répartition des directions change.

  10. Au centre d’une frange sombre, les deux ondes lumineuses arrivent :

    • A. en phase
    • B. sans aucun retard
    • C. avec une période de retard
    • D. en opposition de phase
    Réponse

    D. en opposition de phase — Une frange sombre correspond à des interférences destructives : les deux ondes arrivent en opposition de phase. Un retard nul ou d’une période donnerait une frange brillante.

  11. Dans l’expérience des fentes d’Young, l’interfrange augmente si l’on :

    • A. écarte davantage les deux fentes
    • B. passe d’un laser rouge à un bleu
    • C. éloigne l’écran des fentes
    • D. rapproche l’écran des fentes
    Réponse

    C. éloigne l’écran des fentes — i = λD/b augmente avec D et avec λ, et diminue quand b augmente. Le bleu a une longueur d’onde plus courte que le rouge.

  12. Deux signaux sinusoïdaux de même période T se superposent. Leur somme a pour période :

    • A. T, quel que soit le déphasage
    • B. 2T, quel que soit le déphasage
    • C. T/2 s’ils sont en phase
    • D. T seulement s’ils sont en phase
    Réponse

    A. T, quel que soit le déphasage — La somme de deux signaux synchrones est un signal sinusoïdal de même période ; seule son amplitude dépend du déphasage.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. Un laser de 594 nm éclaire une fente de 0,22 mm. L’angle caractéristique de diffraction vaut :

    • A. 2,7 × 10⁻⁶ rad
    • B. 2,7 × 10⁻³ rad
    • C. 0,37 rad
    • D. 2,7 × 10⁻² rad
    Réponse

    B. 2,7 × 10⁻³ rad — θ = 594 × 10⁻⁹ ÷ (0,22 × 10⁻³) = 2,7 × 10⁻³ rad. Les autres valeurs viennent d’erreurs de conversion.

  2. Fentes d’Young : λ = 543 nm, b = 0,36 mm, D = 1,10 m. L’interfrange vaut :

    • A. 0,166 mm
    • B. 16,6 mm
    • C. 0,60 mm
    • D. 1,66 mm
    Réponse

    D. 1,66 mm — i = 543 × 10⁻⁹ × 1,10 ÷ (0,36 × 10⁻³) ≈ 1,66 × 10⁻³ m, soit 1,66 mm.

  3. En un point de l’écran, δ = 2,34 µm pour une radiation de 468 nm. On y observe :

    • A. une frange brillante
    • B. une frange sombre
    • C. un éclairement intermédiaire
    • D. rien de prévisible sans D
    Réponse

    A. une frange brillante — δ/λ = 2,34 × 10⁻⁶ ÷ (468 × 10⁻⁹) = 5, entier : interférences constructives, frange brillante.

  4. Deux haut-parleurs en phase émettent un son de longueur d’onde 0,66 m. En un point où δ = 1,65 m, on a :

    • A. un maximum d’intensité sonore
    • B. un son deux fois plus aigu
    • C. un minimum d’intensité sonore
    • D. l’intensité d’une seule source
    Réponse

    C. un minimum d’intensité sonore — 1,65 ÷ 0,66 = 2,5, demi-entier : les ondes sont en opposition de phase, l’intensité est minimale.

  5. Un laser de 650 nm éclaire une fente de 0,13 mm ; l’écran est à 1,00 m. La tache centrale mesure :

    • A. 10 mm
    • B. 5,0 mm
    • C. 1,0 mm
    • D. 20 mm
    Réponse

    A. 10 mm — L = 2λD/a = 2 × 650 × 10⁻⁹ × 1,00 ÷ (0,13 × 10⁻³) = 1,0 × 10⁻² m. Oublier le facteur 2 donne 5,0 mm.

  6. Une tache centrale de 42 mm est observée sur un écran à 3,0 m de la fente. L’angle θ vaut :

    • A. 1,4 × 10⁻² rad
    • B. 4,2 × 10⁻² rad
    • C. 7,0 × 10⁻³ rad
    • D. 3,5 × 10⁻³ rad
    Réponse

    C. 7,0 × 10⁻³ rad — θ ≈ L/(2D) = 0,042 ÷ 6,0 = 7,0 × 10⁻³ rad. Le quotient L/D donne le double : erreur classique.

  7. Six franges brillantes consécutives s’étendent sur 12,5 mm. L’interfrange vaut :

    • A. 2,08 mm
    • B. 3,1 mm
    • C. 12,5 mm
    • D. 2,5 mm
    Réponse

    D. 2,5 mm — Six franges délimitent cinq interfranges : i = 12,5 ÷ 5 = 2,5 mm. Diviser par 6 donne 2,08 mm, valeur fausse.

  8. Un interfrange vaut 1,3 mm. On double D et on divise b par 3. Le nouvel interfrange vaut :

    • A. 0,87 mm
    • B. 7,8 mm
    • C. 2,6 mm
    • D. 3,9 mm
    Réponse

    B. 7,8 mm — i = λD/b est multiplié par 2 × 3 = 6 : 6 × 1,3 = 7,8 mm.

  9. Deux ondes de période T = 4,0 ms arrivent en un point, l’une avec 6,0 ms de retard sur l’autre. Elles sont :

    • A. en phase
    • B. ni en phase ni en opposition
    • C. incohérentes, car le retard dépasse T
    • D. en opposition de phase
    Réponse

    D. en opposition de phase — Δτ/T = 6,0 ÷ 4,0 = 1,5 : un nombre entier de périodes plus une demi-période, les ondes sont en opposition de phase.

  10. Fentes d’Young d’interfrange 2,0 mm. Le point d’abscisse 5,0 mm, l’origine étant au centre de la frange centrale, est :

    • A. au centre d’une frange sombre
    • B. au centre d’une frange brillante
    • C. sur le bord de la frange centrale
    • D. dans une zone intermédiaire
    Réponse

    A. au centre d’une frange sombre — δ/λ = x/i = 5,0 ÷ 2,0 = 2,5, demi-entier : frange sombre.

  11. Deux ondes synchrones d’amplitudes 6,0 mm et 2,4 mm arrivent en opposition de phase. L’amplitude résultante vaut :

    • A. 8,4 mm
    • B. 3,6 mm
    • C. 0 mm
    • D. 4,2 mm
    Réponse

    B. 3,6 mm — En opposition de phase, les amplitudes se retranchent : 6,0 − 2,4 = 3,6 mm. Elle n’est nulle que pour des amplitudes égales.

  12. Pour une fente de 52 µm, on mesure θ = 1,2 × 10⁻² rad. La longueur d’onde vaut :

    • A. 62,4 nm
    • B. 6,24 µm
    • C. 624 nm
    • D. 4,3 mm
    Réponse

    C. 624 nm — λ = a × θ = 52 × 10⁻⁶ × 1,2 × 10⁻² = 6,24 × 10⁻⁷ m, soit 624 nm. Le quotient a/θ, environ 4,3 mm, n’a pas de sens ici.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. Deux lasers rouges identiques éclairent la même zone d’un écran. On observe :

    • A. des franges d’interférence fixes
    • B. une frange sombre en chaque point
    • C. des franges dont l’écart ne dépend que de λ
    • D. un éclairement uniforme, sans franges stables
    Réponse

    D. un éclairement uniforme, sans franges stables — Deux sources indépendantes ne sont pas cohérentes : le déphasage varie sans cesse et les franges se brouillent. Les éclairements s’additionnent simplement.

  2. L’angle θ = λ/a est l’angle entre :

    • A. les deux bords opposés de la tache centrale
    • B. le centre de la tache et la première extinction
    • C. deux franges brillantes voisines
    • D. le faisceau incident et l’écran
    Réponse

    B. le centre de la tache et la première extinction — C’est un demi-angle : la tache centrale entière est vue sous l’angle 2θ, d’où L = 2Dθ.

  3. Un fil fin de diamètre d, éclairé par un laser, donne sur l’écran :

    • A. aucune figure, car le fil arrête la lumière
    • B. une tache unique de largeur égale à d
    • C. la même figure qu’une fente de largeur d
    • D. des franges d’Young d’interfrange d
    Réponse

    C. la même figure qu’une fente de largeur d — Un obstacle et une ouverture de même taille donnent la même figure de diffraction : c’est ce qui permet de mesurer le diamètre d’un cheveu.

  4. En lumière blanche, la frange centrale (x = 0) des fentes d’Young est :

    • A. blanche, car δ = 0 pour toutes les λ
    • B. noire, car les couleurs s’y annulent
    • C. rouge, car le rouge a la plus grande λ
    • D. violette, car le violet a la plus petite λ
    Réponse

    A. blanche, car δ = 0 pour toutes les λ — En x = 0, la différence de marche est nulle pour toutes les radiations : toutes sont renforcées, d’où une frange blanche.

  5. L’approximation tan θ ≈ θ utilisée en diffraction est valable si :

    • A. θ est exprimé en degrés
    • B. la fente est plus large que l’écran
    • C. θ est petit et exprimé en radians
    • D. la lumière est monochromatique
    Réponse

    C. θ est petit et exprimé en radians — L’approximation n’est correcte que pour des angles de quelques degrés au plus, exprimés en radians. En degrés, elle est fausse.

  6. Deux sources sonores émettent en opposition de phase. En un point où δ = 2λ, l’amplitude est :

    • A. minimale
    • B. maximale
    • C. intermédiaire
    • D. celle d’une seule source
    Réponse

    A. minimale — Les sources ont déjà une demi-période de décalage ; δ = 2λ n’en ajoute qu’un nombre entier : les ondes arrivent en opposition de phase, amplitude minimale. Les conditions sont inversées.

  7. Pour atténuer un bruit, un casque à réduction de bruit émet :

    • A. un son de même fréquence, en phase avec le bruit
    • B. un son de même fréquence, en opposition de phase
    • C. un son de fréquence double, en phase
    • D. un son de même amplitude, plus grave
    Réponse

    B. un son de même fréquence, en opposition de phase — Le son émis doit être synchrone du bruit et en opposition de phase, avec une amplitude voisine, pour que la somme soit presque nulle.

  8. Au centre d’une frange sombre, l’énergie lumineuse des deux ondes :

    • A. est détruite par l’interférence
    • B. est absorbée par l’écran noir
    • C. est renvoyée vers le laser
    • D. est redistribuée vers les franges brillantes
    Réponse

    D. est redistribuée vers les franges brillantes — L’énergie se conserve : les interférences la répartissent autrement. Elle manque aux franges sombres et se retrouve aux franges brillantes.

  9. On élargit chacune des deux fentes d’Young sans changer leur écartement b. Alors :

    • A. i ne change pas, mais on voit moins de franges
    • B. i augmente, car la diffraction augmente
    • C. i diminue de moitié
    • D. les franges disparaissent toutes
    Réponse

    A. i ne change pas, mais on voit moins de franges — L’interfrange i = λD/b ne dépend pas de la largeur a des fentes. Mais la tache de diffraction, de largeur 2λD/a, rétrécit : elle contient moins de franges.

  10. Un petit trou circulaire éclairé par un laser donne sur l’écran :

    • A. des franges rectilignes équidistantes
    • B. une croix lumineuse
    • C. une tache centrale entourée d’anneaux
    • D. un point de la taille du trou
    Réponse

    C. une tache centrale entourée d’anneaux — La figure de diffraction d’un trou circulaire est une tache centrale entourée d’anneaux, de plus en plus pâles.

  11. Un point M est à égale distance de deux sources sonores en phase. Si l’on change la fréquence, M reste :

    • A. un point d’amplitude nulle
    • B. un point d’amplitude intermédiaire
    • C. tantôt maximal, tantôt nul
    • D. un point d’amplitude maximale
    Réponse

    D. un point d’amplitude maximale — En M, δ = 0 = 0 × λ quelle que soit la longueur d’onde : les ondes arrivent toujours en phase.

  12. Deux sources en phase, λ = 1,2 cm. Un point où d₂ − d₁ = 3,9 cm vibre :

    • A. avec une amplitude maximale
    • B. avec une amplitude intermédiaire
    • C. sans bouger du tout
    • D. à une fréquence différente
    Réponse

    B. avec une amplitude intermédiaire — δ/λ = 3,9 ÷ 1,2 = 3,25 : ni entier ni demi-entier, l’amplitude est intermédiaire. La fréquence de vibration reste celle des sources.

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