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TP Do-It-Yourself « Interférences sur lames de savon »

 

  • Les interférences sont un phénomène parfois difficile d’accès et leur utilisation en tant que sonde de l’épaisseur de la surface optique traversée est souvent méconnue.
  • Nous vous proposons ici une expérience « prof » pour des lycéens ou à réaliser par des élèves du supérieur en TP complet.


Matériel nécessaire

Principe :

Les irisations observées sont liées à la présence d’interférences entre deux faisceaux partiellement réfléchis par les deux dioptres présents sur une lame de savon.

En effet, une bulle ou une lame de savon correspond à un film d’eau « coincé » entre deux couches organiques amphiphiles. La partie hydrophile du savon enferme l'eau dans l'épaisseur de la bulle, tandis que la partie lipophile, tournée vers l'extérieur, forme une membrane relativement forte, tenue par des forces de London.

Il existe donc deux interfaces à traverser pour la lumière.

Conditions d’interférences constructives : la différence de marche δ est un multiple entier de la longueur d’onde.

Condition d’interférences destructives : la différence de marche est un multiple impair de la demi-longueur d’onde : δ = (2k +1) λ/2.

La différence de marche des rayons étant liée à la propagation des faisceaux partiellement réfléchis, elle est donc dépendante de l’épaisseur du film créé. Il s’agit de franges d'égale épaisseur : le long d’une frange donnée, l’épaisseur est constante (cf. Michelson en coin d'air et anneaux de Newton).

Ainsi, grâce aux mesures interfranges, il est possible de réaliser un profil d’épaisseur de la lame de savon à un instant t donné, en reliant la différence de marche δ avec l’indice (≈ 1,4) de l’eau savonneuse.

  avec δ la différence de marche, dans le cas de franges sombres.


Questions proposées pour orienter l’expérience :

... Pourquoi a–t-on des franges colorées ? ... et pourquoi sont-elles horizontales ?
Les franges traduisent l’existence d’interférences constructives. Elles sont horizontales car l’épaisseur de la lame est constante horizontalement mais est plus importante en bas sous l’effet de la gravité.

Resserrement des franges ?
La largeur de ces franges colorées dépend à la fois de l’épaisseur du film et de l’indice de réfraction. L'épaisseur de la lame ne varie pas linéairement avec la hauteur. On observe une courbure de la lame vers le bas, l’épaisseur varie donc plus vite.

Irisation des franges ?
La condition d’interférences constructives dépend à la fois de l’épaisseur de la lame et de la longueur d’onde. L'addition de toutes les couleurs présentes dans la source utilisée donne des teintes complexes caractéristiques de la différence de marche. La seule frange qui reste sombre quelle que soit la longueur d'onde est celle qui correspond à l'ordre k = 0.

Évolution des couleurs au cours du temps ?
Elle traduit essentiellement la diminution de l'épaisseur. Au départ, l’ensemble est blanc puis peu coloré. La lame est assez épaisse et globalement uniforme. Les conditions d'interférences sont vérifiées pour un grand nombre de longueurs d’onde. Ensuite, les franges deviennent plus contrastées notamment dans le haut de la lame, devenue plus fine. Puis on voit apparaître une frange noire traduisant une rupture du film imminente. L'épaisseur de la lame est trop fine pour des interférences constructives pour toutes les longueurs d'onde (ordre k=0).

Quelle est l’épaisseur minimale pour observer des interférences ?
Pour l'ordre k = 1, soit pour :  emin⁡ = λ/(4 n cos⁡(i) ) avec i = angle d'incidence


Présentation du montage d’observation :

  • Une lame séparatrice qui sert à éclairer la lame en incidence normale et à visualiser sur l'écran les franges d’interférences.
  • Une lentille de collimation utilisée pour collimater le faisceau incident et pour maximiser l’intensité lumineuse.
  • Une lentille de projection qui permet de projeter l’image de la bulle de savon sur un écran.
  • Dans le cas de l’utilisation d’un laser, il faudra au préalable l'expanser puis le collimater.


Lumière polychromatiqueLumière monochromatique
La richesse des couleurs observées dépend notamment de la source lumineuse utilisée.

De manière qualitative, il est possible de retrouver l’évolution de l’épaisseur en analysant la succession des couleurs à l’aide d’une échelle calibrée en différence de marche de Newton-Lévy.



Il est plus aisé de faire des relevés précis à l’aide d’une source monochromatique. Ici, nous avons utilisé deux lasers à 532 et 633 nm. Les relevés nous indiquent une épaisseur minimale d’environ 200 nm avec la lame formée (n = 1,4).







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