Fiche à trous · Seconde · Physique-Chimie

Ondes et signaux — Caractéristiques

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Pendant un orage, l'éclair arrive tout de suite et le tonnerre plusieurs secondes après. Rien n'a voyagé de la foudre jusqu'à vous : ni air, ni lumière matérielle. Ce qui s'est déplacé, c'est une perturbation — et deux perturbations de vitesses très différentes. Compter les secondes entre l'éclair et le coup de tonnerre, c'est déjà faire de la physique des ondes, et c'est tout ce chapitre en une expérience gratuite.

Ce qu'est une onde

Définition — Onde :

Définition — Période et fréquence :

Définition — Longueur d'onde :

Piège

Croire que la longueur d'onde d'un son ou d'une lumière reste la même quand on change de milieu.

La fréquence appartient à la source, la longueur d'onde appartient au milieu.

Calculer une longueur d'onde

Exemple

Le la du diapason a une fréquence de 440 Hz. Le son se propage dans l'air à 340 m·s⁻¹. Calculer sa longueur d'onde, puis sa période.

Résultat :

Le son, une onde mécanique

Propriété

L'oreille humaine perçoit approximativement de 20 Hz à 20 000 Hz. Au-dessus de cette limite, on parle d'ultrason ; en dessous, d'infrason. Un ultrason n'est pas un son « plus fort » : c'est un son trop aigu pour être entendu. Les chauves-souris, les sonars et l'échographie l'utilisent précisément parce que sa faible longueur d'onde permet de détecter de petits obstacles.

Le spectre électromagnétique

Règle

Le domaine visible n'occupe qu'une bande étroite du spectre, du violet (environ 400 nm) au rouge (environ 800 nm). Juste au-delà du rouge se trouve l'infrarouge, que nous ne voyons pas mais que nous sentons comme une chaleur : c'est lui que détectent les caméras thermiques et les télécommandes.

Piège

Dire qu'une onde de grande longueur d'onde est « plus puissante ».

Grande longueur d'onde, petite fréquence, faible énergie — les trois vont ensemble.

Ai-je vérifié que mes grandeurs sont en unités du système : mètres, secondes, hertz ?
Ai-je bien lu une période sur un graphique temporel et une longueur d'onde sur un graphique spatial ?
En changeant de milieu, ai-je gardé la fréquence constante et fait varier la longueur d'onde ?
Ma longueur d'onde sonore fait-elle quelques dizaines de centimètres, et non quelques kilomètres ?
Ai-je utilisé la vitesse du milieu demandé, et non systématiquement 340 m·s⁻¹ ?
Pour un aller-retour d'écho, ai-je pensé à diviser la distance par deux ?

Corrigé · à détacher

Ondes et signaux — Caractéristiques

1. Une onde est la propagation d'une perturbation dans un milieu ou dans le vide. Elle transporte de l'énergie et de l'information, mais pas de matière : le bouchon monté par la vague redescend à sa place, il n'accompagne pas la vague. Une onde mécanique a besoin d'un milieu matériel — le son n'existe pas dans le vide. Une onde électromagnétique se propage même dans le vide : c'est le cas de la lumière.
2. Pour une onde périodique, la période $T$ est la durée d'un motif complet, en secondes. La fréquence $f$ est le nombre de motifs par seconde, en hertz (Hz). Les deux sont l'inverse l'une de l'autre : connaître l'une, c'est connaître l'autre.
3. $f = \frac{1}{T} T = \frac{1}{f}$
4. La longueur d'onde $λ$ est la distance parcourue par l'onde pendant une période. Elle se lit sur un enregistrement spatial — une photographie de l'onde à un instant donné — alors que la période se lit sur un enregistrement temporel, en un point fixe. Confondre les deux graphiques est l'erreur la plus coûteuse du chapitre.
5. $λ = v \times T = \frac{v}{f}$
6. Identifier la nature de l'onde et le milieu de propagation, puis relever la vitesse $v$ correspondante.
7. Repérer laquelle des deux grandeurs temporelles est donnée : la période $T$ en secondes, ou la fréquence $f$ en hertz.
8. Si c'est la période qui est donnée, passer d'abord à la fréquence.
9. Appliquer la relation, toutes les grandeurs étant en unités du système : mètres, secondes, hertz.
10. Contrôler l'ordre de grandeur : quelques dizaines de centimètres pour un son audible, moins d'un micromètre pour la lumière visible.
11. La longueur d'onde s'obtient en divisant la vitesse par la fréquence :
12. Soit environ 0,77 m, c'est-à-dire 77 cm — l'ordre de grandeur d'un bras, ce qui est cohérent pour un son audible.
13. La période est l'inverse de la fréquence :
14. Soit environ 2,3 ms.
15. λ ≈ 0,77 m et T ≈ 2,3 ms
16. La vitesse du son dépend du milieu, et elle augmente quand le milieu est plus dense et plus rigide : environ 340 m·s⁻¹ dans l'air, 1 500 m·s⁻¹ dans l'eau, plus de 5 000 m·s⁻¹ dans l'acier. Dans le vide, le son ne se propage pas du tout : il n'y a rien à faire vibrer.
17. Toutes les ondes électromagnétiques vont à la même vitesse dans le vide, environ 300 000 km·s⁻¹. Ce qui les distingue est leur fréquence. Rangées par fréquence croissante, elles forment le spectre : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X, rayons gamma. Quand la fréquence augmente, la longueur d'onde diminue et l'énergie transportée augmente — d'où la dangerosité croissante vers la droite du spectre.
18. $λ = \frac{c}{f}$