La cuve à ondes : misconceptions

Dispositif de type cuve à ondes

La cuve à ondes est un dispositif très utilisé au lycée pour "mettre en évidence" le phénomène ondulatoire, la notion de longueur d'onde, de période, de diffraction. Il s'agit de rendre visible l'invisible pour qu'il soit compris. 

Mais ce dispositif est plus complexe qu'il n'y parait, et si il aide surement à construire le concept d'onde, son fonctionnement donne lieu à d'étranges explications, même venant de bons étudiants de master enseignement. 

Il s'agit de visualiser les ondes à la surface de l'eau, ce sont les mêmes ondes que celles qui sont produites lorsque l'on jette un caillou dans l'eau. La mise en équation de ces ondes fait partie d'un cours avancé d'hydrodynamique, et seule la relation de dispersion est parfois donnée aux étudiants. On remplit donc une cuve en plastique transparent avec quelques millimètres d'eau, on éclaire avec une lampe stroboscopique, et sous la cuve on place un miroir qui renvoie les rayons lumineux sur une plaque translucide sur laquelle on observe des motifs (anneaux concentriques sur l'image en tête d'article). 

Il s'agit alors d'expliquer l'origine de ces motifs. Les étudiants proposent en général une explication fondée sur l'absorption de la lumière par la matière : plus la lumière traverse une grande épaisseur d'eau, plus elle est absorbée. Ce type de raisonnement amène à prédire des franges sombres sous les bosses et des franges claires sous les creux comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous où la lumière vient du dessus de l'eau : 

Cette explication se base sur 2 prémisses :

1. La surface de l'eau est déformée en une sorte de sinusoïde
2. La lumière est absorbée par l'eau

Ces 2 points sont vrais, mais le deuxième point ne permet pas en réalité d'expliquer le phénomène observé. En effet, la déformation de la surface est au mieux de quelques millimètres d'eau, si l'explication proposée était la bonne, alors il suffirait, en l'absence d'onde de surface, de rajouter encore quelques millimètres d'eau pour voir une extinction de la lumière transmise. Ce qui n'est pas le cas!

La bonne explication fait intervenir la courbure de l'interface air-eau qui donne lieu à un effet lentille. Les maxima de lumière sont donc en réalité sous les bosses! Il s'agit d'une technique de visualisation souvent utilisée dans les fluides sous le nom d'ombroscopie (shadowgraphie en anglais).

Désormais je présenterai la cuve à onde comme application des calculs d'optique géométrique sur les lentilles, voir même comme expérience d'introduction, puisqu'elle est finalement assez contre-intuitive pour les étudiants.