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Physique - Ondes

 

Débutants

Général

Phénomènes

 

Glossaire

Général

 

 

INDEX

 

Physique

 

 

Ondes

Lumière et couleurs

Gravitationnelles

Électromagnétiques

Terminale

 

Sommaire de cette page

>>> Approche

>>> Vocabulaire

>>> Deux cas caractéristiques

>>> Ondes électromagnétiques (OEM)

>>> Domaines des OEM

>>> Ondes périodiques

>>> Types d'ondes – Longitudinales et transversales

>>> Types d'ondes – Autres considérations

>>>  Récapitulatif

>>>  Formules à connaître

>>> Corde vibrante

>>> Timbre et décomposition spectrale

>>>  Anglais

 

 

 

 

 

Approche

 

Exemple de la corde

La perturbation se propage le long de la corde.

Le mouvement de la main est de haut en bas, perpendiculairement à la progression de l'onde

 

On parle d’onde progressive.

 

C'est une onde transversale

 

Exemple de la ligne de dominos

Chaque domino tombant provoque la chute du suivant. La perturbation se propage de proche en proche, mais chaque domino reste sur place.

 

Il y a déplacement d'énergie sans déplacement de matière.

 

 

Exemple d'un impact dans l'eau

La surface de l'eau est perturbée au point d'impact. L'onde se propage en rides circulaires. Localement les molécules d'eau dansent de haut en bas. Un bouchon placé là va se déplacer verticalement mais pas horizontalement.

 

Il s'agit d'une onde progressive périodique se déplaçant à la surface de l'eau.

 

Le front d'onde est le lieu où les molécules d'eau commencent à se déplacer.

 

Huygens (1629-1695) constate la différence entre les ondes lumineuses et une onde à la surface de l'eau:

*      l'onde lumineuse est de type longitudinal; et

*      l'onde à la surface de l'eau est de type transversal.  >>>

 

Principe de Huygens: description ondulatoire de la lumière pourtant en propagation rectiligne.  Ainsi, une onde lumineuse qui passe à travers une fente concentre la lumière dans un cône dont le sommet est la source lumineuse et la base est la surface de la fente. 

 

 

 

 

Sur cette illustration, la réfraction est expliquée en considérant que chaque point lumineux réémet une onde sphérique de même fréquence, même amplitude et même phase

 

 

Rappel

La matière englobe tout ce qui est matériel, tout ce qui est composé de molécules ou d'atomes. Notre monde est fait de matière et de forces.

 

Matière

Les atomes de matière sont composés de neutrons, protons et électrons.

 

Forces

Les forces sont véhiculées par les particules. C'est le photon pour la force électromagnétique.

 

 

Vocabulaire

 

 

Onde

Modification de l'état physique d'un milieu matériel ou immatériel, qui se propage à la suite d'une action locale avec une vitesse finie, déterminée par les caractéristiques des milieux traversés.

*    Ondes électromagnétiques,

*    Ondes sonores.

Radiation

Propagation de l’énergie à partir d’une source rayonnante, sous forme d’ondes électromagnétiques ou de particules.

*    Radiations lumineuses,

*    Radiation électromagnétique monochromatique.

Rayonnement

Transport d'énergie sous forme d'ondes ou de particules à partir d'une source; ondes ou particules assurant un transport d'énergie dans un milieu.

*    Rayonnement thermique

Rayon

*    Rayons X

*    Rayons gamma

Résumé: en gros, tout ça, c'est la même chose!

 

 

Deux types d'ondes caractéristiques

 

Ondes sonores

 

Ces ondes ont besoin d’un milieu matériel pour se propager (l’air par exemple).

Ce sont les chocs entre les molécules ou les atomes du milieu qui transmettent l'onde sonore.

 

VAir   =   340 m.s-1

VEau  = 1500

VAcier = 6000

 

 

Ondes électromagnétiques

 

Ces ondes, telle la lumière visible, n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se propager : elles se propagent aisément dans l’espace (le vide) et dans l'air.

 

 

CAir    = 3 .    108 m.s-1

CEau   = 2,2 . 108

CVerre = 2 .    108

 

Bilan

 

Célérité = vitesse de propagation d'une onde électromagnétique.

 

Le terme célérité est utilisé plutôt que celui de vitesse pour distinguer:

*    le déplacement d’un objet (lié à un transport de matière) de

*    la propagation d’une onde (sans transport de matière).

 

 

 

 

Ondes électromagnétiques (OEM)

 

La lumière visible est un exemple de rayonnement électromagnétique.

Ondes avec transfert d'énergie.

Susceptible d'effets tels que: atténuation, absorption, diffraction et réfraction; et aussi: décalage vers le rouge (Doppler), interférences, échos …

L’Univers est empli d’émetteurs électromagnétiques sur tout le spectre. L'homme est également un fort contributeur: radio, télévision, téléphone portable …

 

Deux descriptions aussi valables l'une que l'autre:

*    corpusculaire: propagation de photons (boson vecteur de l'interaction électromagnétique), ou

*    ondulatoire: c'est une onde électromagnétique qui se manifeste sous la forme d'un champ électrique couplé à un champ magnétique.

L'onde électromagnétique est une vibration à la fois du champ électrique et du champ magnétique. Les deux champs oscillent à la même fréquence et en phase perpendiculairement l'un à l'autre et perpendiculairement à la direction de propagation. C'est une onde transversale.

 

 

 

Domaine selon la longueur d'onde

 

Spectre des ondes électromagnétiques

 

Rappel: micro = 10-6      nano = 10-9      pico = 10-12

 

 

 

 

Rayon gamma et rayons X à 0,001 nanomètre ou 1 picomètre

D’une façon générale, tous les corps chauffés émettent de l’énergie sous forme

d’infrarouge, même s’ils ne sont pas lumineux.

Les sources d’ultraviolets, sont, avant tout, naturelles : le Soleil et les étoiles produisent

des ultraviolets.

Voir Formules de calcul

 

Ondes sonores

 

Voir Son, Décibel

 

 

 

Spectre d'une onde

Une onde est rarement de fréquence pure (une seule fréquence). Dans la réalité (rayonnement du soleil, par exemple), une onde est la somme de multitudes d'ondes de fréquences différentes.

 

La présentation de toutes ces fréquences s'appelle le spectre de l'onde. Le spectre est continu si toutes les fréquences sont présentes (dans une bande donnée de fréquences). Si seules certaines fréquences apparaissent, il s'agit d'un spectre de raies.

En rouge: le spectre de rayonnement d'une étoile. En irisé, le spectre de la lumière visible.

 

 

Ondes périodiques

Signal

Grandeur caractérisant une onde. Souvent traduite sous forme électrique et visualisée sur un oscilloscope.

Exemple: un son capté par un microphone.

La valeur de la grandeur est appelée amplitude. C'est le débattement du signal. C'est la valeur de U sur le schéma ci-dessous.

Toute une branche de la physique, le traitement de signal, consiste à étudier, analyser, modifier … le signal. Par exemple, pour le débarrasser d'un bruit de fond afin de faire ressortir le signal utile.

Signal périodique

 

 

T: période (secondes);  (nu) : fréquence (hertz)

 

Phase

Décalage en temps entre deux ondes périodiques.

Ici, le déphasage est égal à un quart de période.

S1 = sin (2 x) et S2 = sin (2 x + /2)

Avec 2 Pi dans le sinus la période égale à 1; sinon la période serait égale à 2Pi.

Longueur d'onde (spatiale)

 

Rappel de la formule générale: longueur = vitesse x temps  >>>

c est la célérité de la lumière >>>

Nature

Monochromatique: une seule fréquence (laser).

Polychromatique: plusieurs radiations de longueurs d'onde différentes (lumière émise par le Soleil). >>> 

Voir Transformée de Fourier

 

 

 

 Pour bien comprendre ce qu'est la longueur d'onde

1) Imaginons une pendule (horloge) immobile. Son balancier fait un aller-retour en 2 secondes: sa période est: T = 2s, et sa fréquence est égale à un demi-battement par seconde:  = 0,5 Hz. Notez qu'ici, l'amplitude est l'angle de rotation du balancier (figuré par l'arc rouge).

2) Imaginons que cette horloge soit placée sur un camion qui avance à 36 km/h = 10 m/s. Durant un A/R du balancier (une période de 2 s), le camion, donc l'horloge, a progressé de 2 x 10 = 20 m. La "longueur d'onde" est de 20 mètres.  C'est bien la distance parcourue en un battement aller et retour.

L'horloge est une comtoise de la manufacture Vuillemin

 

 

 

Types d'ondes – Longitudinales ou transversales

 

Deux catégories d'ondes progressives selon leur propagation

 

Ondes longitudinales

Exemple: le ressort comprimé qui se relâche. La pression s'exerce dans le sens de la longueur du ressort.
Autre exemple: la ligne de dominos qui tombent en cascade.

Un mouvement exercé à un bout se propage jusqu'à l'autre bout.

Chaque partie de matière se déplace localement selon la direction de la perturbation.

 

Ondes transversales

Exemples: caillou lancé dans l'eau. La surface vibre dans la direction verticale tandis que l'onde se propage sur la surface horizontale du plan d'eau.

Autres exemples: ondes des tremblements de terre, ondes électromagnétiques.

Chaque partie de matière se déplace localement perpendiculairement au sens de la perturbation.

 

 

 

Types d'ondes – Autres considérations

 

Milieu de propagation

*    tridimensionnel : ondes sonores, lumineuses, etc.,

*    bidimensionnel : ondes à la surface de l'eau, ou

*    unidimensionnel : ondes sur une corde vibrante.

 

Géométrie

*    plane,

*    sphérique, etc.

 

Mouvement

*    progressives: elles s'éloignent de la source, et dans certains cas se réfléchissent sur les bords,

*    stationnaires : elles résultent de la somme de deux ondes périodiques de fréquence identique, ou par addition d'une onde et de sa réplique réfléchie.

*    évanescentes: leur amplitude décroît exponentiellement avec la distance à la source.

 

 

Récapitulatif

Ondes

Caractéristiques

Dominos

Matérielle

Énergie

Longitudinale

Progressive

Linéaire

Linéaire

Corde fouettée

Matérielle

Énergie

Transversale

Progressive

Linéaire

Sinusoïdale

Corde vibrante,

Tuyau sonore

Matérielle

Énergie

Transversale

Stationnaire

Linéaire

Sinusoïdale

Houle

Matérielle

Énergie

Transversale

Progressive

Circulaire

Sinusoïdale

Tremblements de terre

Matérielle

Énergie

Transversale

Progressive

Sphérique

Aléatoire

Ressort  (compression-

décompression)

Matérielle

Énergie

Longitudinale

Progressive

Linéaire

Sinusoïdale

Sons (air, eau …)

Compression-dilatation

Matérielle

Pression

Longitudinale

Progressive

Sphérique

Sinusoïdale

Électromagnétiques

Sans

Support

Énergie

Transversale

double

Progressive

Linéaire

Sinusoïdale

On dit aussi bien: matérielle ou mécanique

 

 

 

Ondes sonores (exemple de rédaction)

Les ondes sonores ne peuvent pas se propager dans le vide, leur propagation nécessite un milieu matériel, ce sont donc des ondes matérielles ou mécaniques.

Une onde sonore se propage, c’est donc une onde progressive.

Elle se propage dans toutes les directions qui lui sont offertes, il s’agit d’une onde tridimensionnelle.

La direction de la propagation de l’onde sonore est parallèle à la direction de la perturbation, c’est une onde longitudinale.

 

 

Ondes sismiques

Les ondes suites aux tremblements de Terre ou les ondes sismiques crées par l'homme sont complexes: elles peuvent être longitudinales (ondes P), transversales (ondes S) ou de surface (ondes de Rayleigh).

 

 

 

 

Formules à connaître en terminale

Période

Longueur d'onde

 

Énergie du photon


Électron-volt

1eV = 1,6 . 10-19 J

Quantité de photons

Quantité d'électrons

Rayonnement

    = 450 nm

Loi de Wien

     = 9 334 nm

 

Remarque sur les unités

10 Hz (majuscule) ou  10 hertz (minuscule)

100 K ou 100 kelvin et sans degré

k (minuscule) est le facteur multiplicatif par mille (kilo)

Voir Unités / Symboles

 

 

Corde vibrante

 

Vitesse (célérité) de propagation de l'onde: 


F force appliquée

  masse linéique de la corde

 

Exemple

Corde d'un mètre et dont la masse 100 grammes, soit une masse linéique: 0,1 kg/m.

Corde tendue par une masse de 5 kg tirant l'une des extrémités.

F  = m.g = 5 x 9,81

  = 0,05


Courbes célérité fonction de la masse en kg pour diverses masses linéiques (de 0,01 à 0, 06)

 

 

Timbre et décomposition spectrale

 

Prenons le son musical comme exemple.

* Son amplitude caractérise un son plus ou moins fort (plus ou moins de décibels).

* Sa fréquence principale est appelée hauteur du son

* Le timbre est caractéristique d'un instrument, il correspond au fait que la fréquence de la note n'est pas pure –voir flûte et violon sur l'illustration).

 

Une note n'est jamais pure: elle est faite de la superposition d'un son principal (fréquence de la note) et des "répliques" à des fréquences multiples, les harmoniques. Le fondamental est numéroté en tant que premièr harmonique.
 

 

Fréquences principales et secondaires

Fondamental et harmoniques

Flûte            et             Violon

Les harmoniques sont plus aigus que le fondamental.

 

Une octave sépare une fréquence et la fréquence double >>>

 

Le timbre de quelques instruments

 

Chacun de ces signaux peut être modalisé par une superposition de plus ou moins de sinusoïdes harmoniques, chacune avec une pondération en amplitude.

Voir  Analyse de Fourier

 

Fondamental:   

Harmoniques:  

Signal complet:  

 

 

English corner

 

A wave is a periodic oscillation that transmits energy through space.

The wave with the shortest wavelength has the greatest number of wavelengths per unit time (i.e., the highest frequency). If two waves have the same frequency and speed, the one with the greater amplitude has the higher energy.

Water waves transmit energy through space by the periodic oscillation of matter (the water). In contrast, energy that is transmitted, or radiated, through space in the form of periodic oscillations of electric and magnetic fields is known as electromagnetic radiation.

All forms of electromagnetic radiation consist of perpendicular oscillating electric and magnetic fields. Because the various kinds of electromagnetic radiation all have the same speed (c), they differ in only wavelength and frequency.

 

 

 

 

 

Suite

*    Lumière et couleurs

*    Ondes gravitationnelles

*    Son et sonars

*    Les 17 équations qui ont changé le monde

Voir

*    Acoustique, son et sonars

*    Constantes physiques

*    Électronique

*    Expérience des trous d'Young

*    Logarithmes

*    Ondes cérébrales

*    Trigonométrie

*    Unités

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