COHERENCE OF LIGHT AND INTERFERENCE: Students' ways of reasoning and historical difficulties
LA COHERENCE DE LA LUMIERE ET LES INTERFERENCES LUMINEUSES : RAISONNEMENTS DES ETUDIANTS ET DIFFICULTES D'ORDRE HISTORIQUE
Résumé
This research examines the difficulties raised by the learning of light interference. Focused on interference of two waves and on the conditions of their production, it concerns three interferential apparatus (Young's holes, Fresnel's mirrors, thin plates) and to two types of light (totally or partially coherent). Analyses of the physics of light interference, of its history, of its presentation in university books, and of the studies on conceptions on waves, have been made. Fifteen questionnaires were elaborated. 758 French and Tunisian students were questioned after teaching. Several tendencies of reasoning, which are linked together, are put forward. Two are encountered across different domains of physics: to focus on perceptive aspects, to diminish the number of physical quantities that have to be considered. One concerns the difficulties raised by the interpretation of diagrams with parallel rays in optics. Another one is closed to the tendency revealed for diffraction situations: students do not use the waves superposition principle and the apparatus seems modulate the amplitude of the incident wave. The last ones are specific to interferences: for students, two point sources are sufficient or two waves in phase are necessary in order to produce them. This work leads to some pedagogical suggestions: to reduce all interference situations to the prototypical situation with two sources, to precise the conditions for interference when we introduce them, to draw diagrams with rays and waves surfaces in order to explain the formation of images.
Ce travail analyse les difficultés soulevées par l'étude des interférences lumineuses. Centré sur les interférences à deux ondes et sur les conditions de leur obtention, il concerne trois dispositifs interférentiels (trous d'Young, miroirs de Fresnel, lames minces) et deux types d'éclairage (totalement ou partiellement cohérent). Une analyse de la physique des interférences, de son histoire, de sa présentation dans les manuels scolaires, et des recherches sur les conceptions dans le domaine des ondes, a été réalisée. Une quinzaine de questionnaires écrits a été élaborée et 758 étudiants français et tunisiens ont été interrogés après enseignement. Plusieurs tendances de raisonnement liées les unes aux autres sont dégagées. Deux se rencontrent de manière transversale à différents domaines de la physique : les étudiants privilégient des aspects perceptifs et diminuent le nombre de grandeurs physiques à prendre en compte. Une autre concerne les difficultés d'interprétation des schémas à rayons parallèles en optique. Une autre rejoint celle dégagée pour la diffraction : les étudiants n'utilisent pas le principe de superposition des amplitudes, une onde modulée en amplitude semble être créée au niveau du dispositif interférentiel et se propager en s'élargissant. Les dernières sont spécifiques aux interférences : pour les obtenir, deux sources ponctuelles suffisent ou deux ondes en phase sont nécessaires. Ce travail débouche sur quelques suggestions pédagogiques : se ramener à la situation à deux sources, préciser les conditions d'obtention des interférences lors de leur introduction, utiliser des schémas avec des rayons et des surfaces d'onde pour la formation des images.