Physique · Sujet officiel n°7 · Session 2027
Prérequis : notion d'onde progressive périodique, longueur d'onde \(\lambda\), fréquence, célérité ; superposition d'ondes et interférences (sujet n°6) ; en Terminale, relation \(\theta=\lambda/a\) et limites de l'optique géométrique ; en CPGE : représentation complexe d'une onde, principe de superposition, notion de transformée de Fourier spatiale, fonction sinus cardinal. Matériel : laser HeNe (ou diode) sur banc d'optique, fentes calibrées et cheveu, écran gradué à distance réglable ; cuve à ondes ou simulation PhET « Interférences d'ondes » ; en CPGE : goniomètre, lampe spectrale au sodium, réseaux (100 à 600 traits·mm⁻¹), photodiode sur translation ou capteur linéaire (barrette CCD) + acquisition, traitement Python (numpy/scipy) ou Regressi ; CD/DVD comme réseau de démonstration.
On entend une conversation à travers une porte entrouverte alors que l'on ne voit pas les interlocuteurs : le son a « tourné » l'angle, la lumière non. La houle qui franchit la passe étroite d'un port s'étale ensuite en arcs de cercle derrière la digue. Ces observations quotidiennes ont un nom commun : la diffraction, l'étalement d'une onde lorsqu'elle rencontre une ouverture ou un obstacle dont la taille est comparable à sa longueur d'onde. Loin d'être un défaut des appareils, c'est une propriété intrinsèque de toute propagation ondulatoire, et c'est elle qui, en 1818, trancha en faveur du modèle ondulatoire de la lumière : Poisson, sceptique, déduisit de la théorie de Fresnel qu'un point brillant devait apparaître au centre de l'ombre d'un disque opaque ; Arago l'observa, et la lumière fut définitivement reconnue comme une onde.
L'enjeu pédagogique de cette leçon est de suivre la construction de ce concept le long du curriculum. Au lycée, la diffraction s'introduit comme un phénomène universel, résumé par une unique relation d'ordre de grandeur, \(\theta=\lambda/a\). En CPGE, on la formalise : la figure de diffraction observée à l'infini est la transformée de Fourier spatiale de la pupille, résultat qui unifie la fente, l'ouverture circulaire et le réseau, et qui débouche sur la notion centrale de pouvoir de résolution des instruments d'optique.
La meilleure porte d'entrée n'est pas la lumière, trop rapide et trop fine, mais une onde que l'on voit se propager : les rides d'une cuve à ondes, ou leur équivalent numérique (simulation PhET « Interférences d'ondes », autorisée à l'oral). On envoie une onde plane sur une ouverture pratiquée dans une barrière. Tant que l'ouverture est large devant la longueur d'onde, l'onde poursuit tout droit, comme le prévoirait l'optique géométrique. Mais quand on rétrécit l'ouverture jusqu'à la rendre comparable à \(\lambda\), l'onde émergente s'incurve et s'étale en arcs de cercle : elle a diffracté.
Ce caractère universel est capital et souvent sous-estimé des élèves : la diffraction concerne toutes les ondes, mécaniques (son, houle, ondes sismiques) comme lumineuses. Si la lumière semble se propager en ligne droite dans la vie courante, c'est seulement parce que sa longueur d'onde (\(\sim 0{,}5~\mu\text{m}\)) est minuscule devant la taille des objets ordinaires : la diffraction y est imperceptible. Le son, lui, a une longueur d'onde de l'ordre du mètre (\(\lambda=v_{\text{son}}/f\approx (340~\text{m·s}^{-1})/(1000~\text{Hz})\approx 0{,}34~\text{m}\) à \(1~\text{kHz}\)), comparable à celle d'une porte : il diffracte abondamment, et c'est pourquoi il contourne les obstacles.
Développement complet des deux parties, illustrations expérimentales détaillées, questions d'entretien avec éléments de réponse, biblio commentée. L'accès ouvre les55 leçons et tous les corrigés d'annales jusqu'au 31/08/2027, à 99 € au lieu de 149 € jusqu'au 31 octobre 2026.
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