Lorsque l'on regarde certaines photographies astronomiques, on peut s'étonner de constater que les astres possèdent des « branches » leur donnant l'aspect... d'une étoile !

Pourquoi les astres observés au télescope ont-ils une forme en étoile ?

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Doc. 1
Photographies de Sirius

Ci-dessous, deux photographies de l'étoile Sirius prises avec deux télescopes différents. Sur la photographie de gauche, Sirius comporte quatre branches alors qu'elle en compte six sur celle de droite.

Photographies de Sirius : gros plan puis vue large de l'étoile brillante dans le ciel nocturne.

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Doc. 2
Araignée d'un télescope

Certains télescopes sont constitués d'un miroir secondaire situé à l'entrée du télescope qui permet l'observation des objets célestes à travers l'oculaire après réflexion de la lumière incidente sur le miroir primaire. Ce miroir secondaire est maintenu par des « bras » appelés aigrettes. L'ensemble \{aigrettes + miroir\} constitue ce que l'on appelle une araignée.

Le nombre de bras de l'araignée d'un télescope peut varier d'un modèle à l'autre. Les images ci-dessous montrent les trois types d'araignée les plus rencontrés.

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Doc. 3
Diffraction de la lumière par une fente

Une fente diffracte la lumière qui la traverse. Si la fente est suffisamment petite, la figure de diffraction, observée dans un plan parallèle à la fente, est constituée d'une série de taches réparties sur un axe perpendiculaire à la direction de la fente. Ainsi, une fente verticale donne une figure de diffraction s'étalant sur un axe horizontal. Par ailleurs, la largeur L de la tache centrale est deux fois plus grande que celle des autres. L'écart angulaire \theta peut être calculé à partir de la relation :

\theta=\dfrac{\lambda}{a}

\theta : écart angulaire (rad)
\lambda : longueur d'onde (m)
a : largeur de la fente (m)

$Diffraction de la lumière par une fente$

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Doc. 4
Théorème de Babinet

Le théorème de Babinet énonce que deux objets de forme complémentaire produisent des figures de diffraction identiques. Ceci s'explique par le fait que le phénomène de diffraction est produit par les bords de l'objet diffractant. Ainsi, un fil ou une fente de même largeur produisent des figures de diffraction identiques.

► Deux objets diffractants produisant la même figure.

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Doc. 5
Image d'une étoile

Les deux photographies ci-dessous montrent une reproduction de l'araignée à trois bras d'un télescope (à gauche) et la figure de diffraction obtenue (à droite).

Photographie d'un télescope observant une étoile, vue agrandie montrant une lumière verte intense.

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Doc. 6
Matériel nécessaire

Source lumineuse laser
Fente calibrée
Jeu de fils calibrés
Diapositives avec une araignée et supports

Écran avec support
Mètre ruban
Logiciel tableur-grapheur

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Doc. 7
Incertitude

L'incertitude u(x) obtenue pour la mesure d'une grandeur x à l'aide d'un instrument de mesure de plus petite graduation r est égale à : u(x)=\dfrac{r}{2 \sqrt{3}}

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Questions

Compétence(s)

APP : Extraire l'information utile
REA : Mettre en œuvre un protocole
VAL : Analyser des résultats
REA : Respecter les règles de sécurité

1. Préciser si la tache centrale de diffraction due à une même fente est plus large pour une distance fente‑écran D égale à 1{,}00 m, 1{,}30 m, 1{,}50 m ou 1{,}80 m. En déduire le choix de distance le plus judicieux.

2. Réaliser le montage permettant d'observer la figure de diffraction par une fente calibrée puis un fil calibré de même épaisseur a = 40 µm. Vérifier que les figures obtenues sont bien en accord avec les informations fournies dans le et le .

3. Mesurer simplement la largeur de la tache centrale de diffraction et noter la valeur L_1 obtenue. Calculer l'incertitude-type u(L_1) sur la mesure de L_1 puis écrire le résultat sous la forme L_1 \pm u(L_1).

4. Proposer une méthode pour augmenter la précision de la mesure, puis la mettre en œuvre et calculer la nouvelle incertitude-type sur la mesure de L_2 avec cette méthode. Écrire le résultat sous la forme L_2 \pm u(L_2).

5. Confirmer que la précision a bien été augmentée en comparant les incertitudes relatives.

6. Lorsque \theta est petit, on considère que \text{tan} (\theta) \approx \theta. Dans le , le triangle \text{FOM} est rectangle en \text{O}, déterminer l'expression de l'écart angulaire \theta en fonction de D et L.

7. En déduire une expression de L en fonction de a, D et \lambda.

8. Réaliser plusieurs mesures avec différentes valeurs de a. Puis, en utilisant un tableur-grapheur, tracer le graphe représentant l'évolution de L en fonction de \dfrac{1}{a}. Modéliser la courbe obtenue.

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9. Déduire de l'expression trouvée à la question 7. et du graphe tracé, la valeur de la longueur d'onde \lambda du laser. Calculer l'incertitude type u(\lambda) en considérant que les seules sources d'incertitudes à considérer sont sur les mesures de L et de D et présenter le résultat sous la forme \lambda \pm u(\lambda) :
\dfrac{u(\lambda)}{\lambda}=\sqrt{\left(\dfrac{u(D)}{D}\right)^{2}+\left(\dfrac{u(L)}{L}\right)^{2}}

10. Justifier la forme de la figure de diffraction obtenue avec une araignée à trois branches.

11. Reproduire soigneusement les araignées du puis dessiner la figure de diffraction obtenue dans chaque cas.

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Synthèse de l'activité

Expliquer en quelques lignes la forme des étoiles observées à travers un télescope.

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Physique-Chimie Terminale Spécialité

Étoiles et diffraction

Doc. 1 Photographies de Sirius

Doc. 2 Araignée d'un télescope

Doc. 3 Diffraction de la lumière par une fente

Doc. 4 Théorème de Babinet

Doc. 5 Image d'une étoile

Doc. 6 Matériel nécessaire

Doc. 7 Incertitude

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Doc. 1
Photographies de Sirius

Doc. 2
Araignée d'un télescope

Doc. 3
Diffraction de la lumière par une fente

Doc. 4
Théorème de Babinet

Doc. 5
Image d'une étoile

Doc. 6
Matériel nécessaire

Doc. 7
Incertitude