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Physique-Chimie - PSI TP n°12 TP №12 : Interféromètre de Michelson 1 Objectifs : ✗ Prendre en main le Michelson. ✗ Etre capable de le régler en lame à faces parallèles et d’observer des anneaux ✗ Etre capable de le régler en coin d’air et d’observer des franges. ✗ Observer les franges en lumière blanche et un spectre cannelé. Comme la plupart des instruments d’optique, le Michelson est un appareil comportant une mécanique et une optique sophistiquée et coûteuse (8 k€ pour le Michelson d’étude sur lequel vous travaillez). △! Attention... Ne jamais essuyer ni mettre les doigts sur les surfaces optiques et bien sûr, leur éviter tout choc. Ne pas forcer sur les vis de réglage qui doivent, en règle générale, se trouver à mi-course. I Réglages préalables I.1 Repérage Objectifs : Sur le shéma du Michelson, identifier les miroirs, la séparatrice et la compensatrice. Sur l’interféromètre, faire correspondre ces éléments réels, ainsi que les moyens de les régler. Comprendre le rôle de chacun de ces composants. Vous devez identifier tous les éléments décrits sur le schéma de principe donné ci-dessus. (M1, M2, séparatrice SP , compensatrice C, zone source et zone d’observation). Repérer et faire fonctionner délicatement les éléments suivants ✗ vis de rotation (1) et (2) de (M1) ; l’action de ces vis est visible à l’œil nu = réglage grossier. ✗ vis de rotation (4) et (5) de (M2) ; l’action de ces vis est imperceptible à l’œil nu = réglage fin. ✗ vis (3), dite de chariotage : translation de (M1) le long de la direction de référence OX. ✗ vis (6) de rotation de la compensatrice selon un axe vertical (dit réglage "porte"). ✗ vis (7) de rotation de la compensatrice selon un axe horizontal (dit réglage "trappe") ✗ le moteur réversible qui permet de translater (M1) très lentement. Les vis 3 et 6 sont des vis micromé- ✞ ☎ triques munies d’un vernier qui per- Remarque : met d’obtenir la position au 1/100 ✝ ✆ e de mm. La lecture se fait comme indiqué sur la figure ci-dessous. I.2 Alignement grossier de la compensatrice et des miroirs Alignement grossier des miroirs S’assurer que les vis (4) et (5) de réglage fin du miroir (M2) sont à mi-course. Vérifier grossièrement (à la règle) l’égalité des distances SP − M1, SP − M2 et régler grossièrement en conséquence, la position du miroir (M1) grâce à la vis (3) afin d’égaler approximativement les chemins optiques (δ < 1 cm). Alignement relatif de la compensatrice avec la séparatrice Utiliser une lampe spectrale et éclairer le diaphragme réduit à son diamètre minimum. Observer sur un écran (bout de papier) en sortie de l’interféromètre. De fait on observe beaucoup plus d’images, qui se répartissent sur deux droites de direction quelconque, les intensités de ces images n’étant pas toutes égales. Ces images proviennent de réflexions parasites sur la compensatrice qui n’est pas bien parallèle à la séparatrice, faire un réglage pour n’obtenir que deux tâches. Vérifier que l’une des tâches provient de M1 et l’autre de M2. Superposer les deux familles de taches (réglage grossier). II Observation des anneaux (lame d’air parallèle) Source Hg Dépoli, pas d’optique Michelson M1 M2 - Observation Oeil en sortie de la séparatrice, à environ 10 cm K. Brunel page : 1 Les Eucalyptus - Nice
Physique-Chimie - PSI TP n°12 Réglage du parallélisme des miroirs Enlever le diaphragme et interposer un écran dépoli sur lequel, une croix a été déssinée entre la lampe spectrale et le Michelson. Observer directement à l’oeil 1 la croix au travers du Michelson. Si on la voit dédoublée, utiliser les vis de réglage grossier pour superposer les deux croix. On doit alors observer une image qui ressemble à une « empreinte digitale ». Il s’agit en fait d’une fraction d’anneaux. Si ils n’apparaissent pas charioter un peu et reprendre le réglage. Avec les vis de réglage fin et celle du chariot, augmenter la netteté des anneaux et les centrer dans votre champ de vision. Ils doivent rester stables lorsque l’on bouge la tête : ☞ Repérer la vis qui permet de basculer M2 autour d’un axe horizontal : il faut la tourner en effectuant un mouvement de tête similaire à celui pour dire « oui » jusqu’à ce que le centre ne change plus de couleur. ☞ Faire de même avec la vis qui permet de basculer M2 autour d’un axe vertical en faisant « non » de la tête. Lorsque c’est les anneaux sont stables, on peut les projeter sur un écran. Source Hg condenseur(éclairage convergent), filtre vert Michelson M1 M2 - Observation infini écran au foyer de f ′ = 1 m Eclairage convergent et projection des anneaux On opère en lumière convergente (afin d’avoir des rayons incidents d’inclinaisons variables). Pour cela il suffit de reculer la lampe par rapport au condenseur (L1), ce dernier restant fixe : en interceptant le faisceau avec une feuille de papier, vérifier que le faisceau converge pratiquement sur le miroir (M1). Pour une bonne projection, on place l’écran au foyer d’une lentille convergente de grande focale f ′ = 1 m ; à défaut, on peut le placer loin des miroirs (sans lentille). Rayons des anneaux Ajuster e de façon à n’obtenir que quelques anneaux pas trop resserrés avec un centre sombre. Retrouver par le calcul que le rayon du K e anneau lumineux à compter du centre est proportionnel à √ K. Vérifier en mesurant le rayon de quelques anneaux. ✞ Remarque : ✝ Si en devenant plus gros, les anneaux se déforment et prennent l’al- ☎ lure d’ellipses à grand axe oblique, il est possible, en retouchant légère- ✆ ment les vis de rotation de la compensatrice, de rectifier leur forme afin de les rendre bien circulaires. Recherche du contact optique des deux miroirs Avec les vis de réglage fin, améliorer la netteté des anneaux. Charioter de manière à faire augmenter le rayon des anneaux. Lorsqu’ils ne sont plus discernables M1 et M ′ 2 sont confondus : on dit qu‘’on se trouve au contact optique noter la valeur lue sur la vis (3) notée CO. Observation des franges en lumière blanche On peut donc espérer visualiser des interférences en lumière blanche, très peu cohérente, au voisinage de la différence de marche nulle. Remplacer la lampe à vapeur de mercure basse pression (spectre de raies) par la source de lumière blanche (lampe à vapeur d’iode). ☞ Si le réglage précédent a été bien fait, on doit voir quelques anneaux de gros diamètre irisés. ☞ Si le réglage a été parfait, on ne voit que du blanc brillant correspondant à l’ordre 0 (α = 0 et e = 0). Pour vérifier il suffit de déplacer imperceptiblement le miroir (M1) par la vis de translation (3), après avoir noter la graduation correspondante du vernier, de part et d’autre de la position initiale et on doit retrouver des irisations. L’irisation entourant l’ordre 0 se produit dans un domaine de translation d’extension 0,3/100 mm environ, soit un tiers de la graduation latérale du vernier : Il faut donc agir avec le plus grand doigté sur la vis micrométrique ! ☞ Si le réglage a été mal fait, on ne voit que du blanc brillant mais d’ordre supérieur à 0, et en déplaçant légèrement le miroir, on ne voit toujours que du blanc. Dans ce cas, il faut recommencer le réglage précédent à l’aide du filtre interférentiel vert. III Observation des franges de coin d’air III.1 Observation Source Hg Michelson M1 ∦ M2 - Observation miroirs au foyer d’un condenseur, filtre jaune écran=image des miroirs par f ′ = 200 cm Source étendue à l’infini Le Michelson doit être éclairé en lumière parallèle : placer la source au foyer du condenseur. Pour cela, on reprend le diaphragme qui sera mis au foyer objet de (L1) de distance focale en procédant par auto-collimation à l’aide du miroir plan fourni (on pourrait à défaut utiliser les miroirs du Michelson). Le Michelson est donc alors éclairé en lumière parallèle (source quasi ponctuelle à l’infini dans une direction perpendiculaire à l’un des miroirs). Après avoir élargi le diaphragme, on s’assurera que le faisceau est bien parallèle et éclaire la totalité de la surface des miroirs en interceptant le faisceau avec une feuille de papier. Franges d’égale épaisseur 1. Ne pas faire ce réglage au laser ! ! Il ne faut jamais regarder une telle source lumineuse directement. K. Brunel page : 2 Les Eucalyptus - Nice
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