Quelques généralités sur Les Ondes

Onde = perturbation qui se propage

2 grandes catégories : ondes mécaniques et ondes électromagnétiques

I) Les ondes mécaniques :

Elles nécessitent un milieu matériel pour se propager.

Milieu matériel = solide, liquide ou gaz.

Exemples :

Ondes à la surface de l’eau : Ondes le long d’une corde :

Ondes le long d’un ressort :

Ondes sonores :

Ondes sismiques :

Comment la perturbation se propage-t-elle ?

Voir animation : http://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html

Dans cette animation, les points noirs représentent les particules matérielles constituant le milieu étudié. On voit bien ici une perturbation se propager de gauche à droite (la perturbation correspond aux zones dans lesquelles la densité de points est plus grande).

Mais si l’on regarde le mouvement d’un seul des points du milieu (3 points ont été mis en rouge pour faciliter l’observation), on se rend compte que ces points ne se déplacent pas de gauche à droite, mais oscillent toujours autour de la même position.

Conclusion : une onde mécanique est la propagation d’une perturbation dans un milieu matériel, sans déplacement de matière.

Deux types d’ondes mécaniques :

Ondes longitudinales : Ondes transversales :

La direction de la perturbation est parallèle à la direction de la propagation.

La direction de la perturbation est perpendiculaire à la direction de la propagation.

Exemples : Exemples :

Ondes sonores :

Direction de la perturbation : horizontale Direction de la propagation : horizontale

propagation

perturbation

Ondes le long d’un ressort :

propagation

perturbation

Ondes le long d’une corde :

propagation

perturbation

Ondes à la surface de l’eau :

perturbation

propagation

Notion de retard :

M

M’

d

M’

M

On considère une onde le long d’une corde, dont la perturbation reste identique à elle-même au cours du temps :

Photo de la corde au temps t :

Photo de la corde au temps t’ :

Lorsque la perturbation se propage sans modification, le point M’ subit la même perturbation que le point M au temps t’ = t + τ, c'est-à-dire avec un retard de τ.

Remarques :

τ est une lettre grecque se prononçant « tau » Le retard est très souvent noté τ ou parfois Δt.

Calcul du retard : τ = τ : retard, en s. d : distance parcourue par l’onde, en m v : vitesse de l’onde, en m.s-1

Remarque :

La vitesse d’une onde est souvent appelée « célérité ».

II) Les ondes mécaniques périodiques :

Un phénomène est dit périodique s’il se répète de manière identique à intervalles de temps réguliers. L’intervalle de temps entre deux répétitions successives est appelé période, notée T, exprimée en secondes.

Qu’est-ce qu’un phénomène périodique ?

Exemples :

Le mouvement de la Terre autour du Soleil Le balancier d’une horloge Les pulsations cardiaques (si tout va bien…)

Qu’est-ce qu’une onde mécanique périodique ?

Une onde mécanique est dite périodique si la perturbation qu’elle engendre en un point du milieu est périodique.

Un cas particulier souvent rencontré en TS est le cas des onde sinusoïdales (elles ont la forme de la fonction sinus en maths) :

Double périodicité :

Considérons un seul point M quelconque d’un milieu matériel. Si une onde mécanique périodique se propage dans le milieu, le point M se retrouve dans des états identiques à intervalles de temps réguliers : c’est la période temporelle de l’onde, notée T, exprimée en s.

Si on représente graphiquement l’évolution de la position de ce point M au cours du temps, on peut mesurer la période T sur ce graphique :

Périodicité temporelle :

Position d’un seul point M du milieu

Représentation temporelle

T

Périodicité spatiale :

Lorsqu’une onde périodique se propage dans un milieu, plusieurs points du milieu sont simultanément dans le même état. La distance entre ces points est régulière : c’est la période spatiale. Cette période spatiale est appelée longueur d’onde, notée λ, exprimée en m.

Si on représente graphiquement la forme du milieu à un instant donné (équivalent à une photo du milieu), on peut mesurer la longueur d’onde λ sur ce graphique :

Représentation spatiale

λ

Les 4 points rouges représentés sont dans le même état vibratoire au même instant : on dit qu’ils vibrent en phase.

On peut donner deux définitions de la longueur d’onde :

- C’est la plus petite distance séparant deux points vibrant en phase

- C’est la distance parcourue par l’onde pendant une période temporelle T

http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/onde_progressive_periodique_corde_double_periodicite_temps_espace_longueur_d_onde_periode.htm

Voir animation :

Remarque :

Si on vous parle de période, sans préciser temporelle ou spatiale, c’est qu’il s’agit de la période temporelle T. En effet, la période spatiale sera toujours appelée longueur d’onde, pour qu’il n’y ait pas d’ambigüité.

Relation entre période et fréquence :

La fréquence d’un phénomène périodique est égale au nombre de fois que le phénomène se répète en une seconde. On la note f ou n, et on l’exprime en hertz (Hz).

f

1Tou

T

1f

La période et la fréquence sont des grandeurs inverses l’une de l’autre :

Si une onde a une fréquence de 200 Hz, cela signifie que la perturbation se répète 200 fois par seconde.

T : période, en s f : fréquence, en Hz

n est une lettre grecque se prononçant « nu ».

Relation entre longueur d’onde, période et fréquence :

Longueur d’onde = distance parcourue par l’onde en une période T

Période = temps que l’onde met pour parcourir une longueur d’onde λ

Or, on sait que distance et temps sont lié par une relation du type :

Distance = vitesse × temps

On en déduit que la longueur d’onde λ et la période T sont liés par la relation :

λ = v × T T : période, en s. λ : longueur d’onde, en m v : vitesse de l’onde, en m.s-1

Sachant que la fréquence est l’inverse de la période, on peut également exprimer la longueur d’onde en fonction de la fréquence :

λ = f : fréquence, en Hz. λ : longueur d’onde, en m v : vitesse de l’onde, en m.s-1

III) Les ondes électromagnétiques :

Les ondes électromagnétiques sont des ondes pour lesquelles la perturbation est d’origine électrique et magnétique :

Ce sont des ondes périodiques, donc caractérisées par une période, une fréquence et une longueur d’onde.

A la différence des ondes mécaniques, les ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide.

Les ondes électromagnétiques sont classées en différents domaines en fonction de leur longueur d’onde (on parle également de radiations) : Les rayons g (gamma), les rayons X, les rayons UV (ultraviolets), le domaine visible, les rayons IR (infrarouge) et les ondes radio.

Tous les corps célestes émettent des ondes électromagnétiques dans les différents domaines :

Domaines de radiations :

L’homme a également créé des sources de rayonnement sur l’ensemble du spectre électromagnétique :

La lumière est l’ensemble des ondes électromagnétiques (radiations) visibles par l’œil

humain.

La lumière visible est l’ensemble des radiations dont la longueur d’onde est comprise

entre 400 et 800 nm (4.10-7 et 8.10-7 m) :

UV IR

λ (nm) 800 400

Une lumière est dite monochromatique lorsqu’elle est constituée d’une seule radiation

lumineuse (donc d’une seule longueur d’onde).

Une lumière est dite polychromatique lorsqu’elle est constituée de plusieurs radiations

lumineuses (donc de plusieurs longueurs d’ondes).

Absorption par l’atmosphère terrestre :

L’atmosphère terrestre absorbe une grande partie des rayonnements électromagnétiques qui nous proviennent de l’Univers. Les rayonnements capables de traverser l’atmosphère terrestre sans être absorbés appartiennent principalement aux domaines visible et radio.

Les UV les plus dangereux et rayons X sont totalement absorbés par l’atmosphère. C’est grâce à la couche d’ozone. Si ces rayons arrivaient sur la surface de la Terre, aucune vie ne pourrait exister.

Afin d’observer l’Univers dans sa totalité, il faut utiliser des dispositifs d’observation positionnés au dessus des couches absorbantes de l’atmosphère. Le télescope spatial Hubble, situé en orbite à 500 km d’altitude, donne des images de l’Univers dans tous les domaines de radiations.

Voie Lactée observée en diverses longueurs d’onde (images en fausses couleurs)