Physique-Chimie (Spé) — Ondes et signaux
Ondes mécaniques et lumineuses
Propagation, longueur d'onde, diffraction
Résumé synthétiqueFiche en 3 sectionsQuiz de 15 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Une onde, c'est une **perturbation qui se propage sans transport de matière** : le bouchon sur l'eau monte et descend, mais ne part pas avec la vague. La grandeur reine est la **célérité** $v = \dfrac{\lambda}{T} = \lambda \times f$, qui relie la **longueur d'onde** $\lambda$ (la distance d'un motif), la **période** $T$ et la **fréquence** $f = \dfrac{1}{T}$. Deux familles : les ondes **mécaniques** (son, vagues, séismes) ont besoin d'un **milieu matériel**, tandis que les ondes **électromagnétiques** (lumière, radio) se propagent même dans le **vide**, à $c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$. Enfin, dès qu'une onde rencontre une ouverture de taille comparable à $\lambda$, elle **diffracte** : elle s'étale au lieu d'aller tout droit. Tout le chapitre tient dans ces réflexes : reconnaître la nature de l'onde, appliquer $v = \lambda f$, et savoir quand la diffraction devient visible.
Une onde **progressive** transporte de l'**énergie**, pas de la matière. Une onde **périodique** se répète identiquement dans le temps (période $T$) et dans l'espace (longueur d'onde $\lambda$). Ces deux grandeurs sont reliées par la vitesse de propagation, la **célérité** $v$, qui ne dépend que du **milieu** traversé.
- **Onde :** perturbation qui se propage de proche en proche **sans transport de matière** (seule l'énergie avance).
- **Période $T$** (en $\mathrm{s}$) : durée d'un cycle complet. **Fréquence** $f = \dfrac{1}{T}$ (en $\mathrm{Hz}$) : nombre de cycles par seconde.
- **Longueur d'onde $\lambda$** (en $\mathrm{m}$) : distance parcourue par l'onde pendant **une** période $T$ ; c'est la période **spatiale**.
- **Célérité :** $v = \dfrac{\lambda}{T} = \lambda \times f$. Elle dépend du **milieu**, pas de la fréquence (sauf milieux dispersifs).
- **Amplitude :** écart maximal à la position de repos ; elle est liée à l'**énergie** transportée, pas à la vitesse.
Exemple
Un son de fréquence $f = 680\ \mathrm{Hz}$ se propage dans l'air à $v = 340\ \mathrm{m/s}$. Sa période vaut $T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{680} \approx 1{,}5\ \mathrm{ms}$, et sa longueur d'onde $\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{680} = 0{,}5\ \mathrm{m}$.
Piège à éviter
Ne confonds pas **vitesse de l'onde** et **vitesse d'un point du milieu** : un point oscille sur place, l'onde, elle, avance. Et $\lambda$ est une **distance** ($\mathrm{m}$), pas une durée — c'est $T$ qui se mesure en secondes.
On classe les ondes selon **ce qui se propage** (matière ou champ électromagnétique) et selon la **direction** de la perturbation par rapport à la propagation. Cette double classification permet de prévoir si une onde traverse le vide, et comment elle déforme le milieu.
- **Ondes mécaniques :** nécessitent un **milieu matériel** (air, eau, solide) — son, vagues, séismes. Elles **ne traversent pas le vide**.
- **Ondes électromagnétiques :** se propagent **même dans le vide** (lumière, radio, micro-ondes) à $c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$.
- **Ondes transversales :** la perturbation est $\perp$ à la propagation (onde sur une corde, lumière).
- **Ondes longitudinales :** la perturbation est $\parallel$ à la propagation — compressions/dilatations (le **son** dans l'air).
- Le son va plus vite dans les milieux **denses et rigides** : $\approx 340\ \mathrm{m/s}$ dans l'air, $\approx 1500\ \mathrm{m/s}$ dans l'eau, $\approx 5000\ \mathrm{m/s}$ dans l'acier.
Exemple
Lors d'un orage, on voit l'éclair quasi instantanément ($c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$) mais le tonnerre arrive plus tard ($v \approx 340\ \mathrm{m/s}$). Un retard de $3\ \mathrm{s}$ correspond à une distance $d = v \times t = 340 \times 3 \approx 1\ \mathrm{km}$.
Piège à éviter
Erreur classique : croire que le son se propage dans le vide. **Dans l'espace, aucun son ne voyage** — seules les ondes électromagnétiques (lumière, radio) franchissent le vide.
Quand une onde rencontre une **ouverture** ou un **obstacle** de taille comparable à $\lambda$, elle ne va plus tout droit : elle **s'étale**, c'est la **diffraction**. Et lorsque deux ondes de même fréquence se superposent, elles **interfèrent**, créant des zones renforcées ou éteintes. Ces deux phénomènes sont la signature du caractère **ondulatoire** de la lumière.
- **Diffraction :** l'onde s'étale en franchissant une fente ; l'effet est notable quand l'ouverture $a \approx \lambda$ (du même ordre de grandeur).
- Plus la fente est **étroite**, plus l'étalement est **grand** : la diffraction augmente quand $a$ diminue.
- **Demi-angle de diffraction :** $\theta \approx \dfrac{\lambda}{a}$ (en $\mathrm{rad}$), avec $a$ la largeur de la fente.
- **Interférences :** superposition de deux ondes **cohérentes**. **Constructives** (amplitudes s'ajoutent) si la différence de marche $\delta = k\lambda$ ; **destructives** (extinction) si $\delta = \left(k + \tfrac{1}{2}\right)\lambda$.
Exemple
Une fente de largeur $a = 0{,}1\ \mathrm{mm} = 10^{-4}\ \mathrm{m}$ éclairée par un laser $\lambda = 600\ \mathrm{nm} = 6 \times 10^{-7}\ \mathrm{m}$ : $\theta \approx \dfrac{\lambda}{a} = \dfrac{6 \times 10^{-7}}{10^{-4}} = 6 \times 10^{-3}\ \mathrm{rad}$, soit environ $0{,}34°$.
Piège à éviter
La diffraction n'est visible que si $a$ est de l'ordre de $\lambda$. Pour la lumière visible ($\lambda$ de quelques centaines de $\mathrm{nm}$), il faut des fentes **très fines** : à travers une grande ouverture, $\theta \approx \dfrac{\lambda}{a}$ est négligeable et la lumière semble aller tout droit.
Quiz - Ondes
15 questions
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Notions clés — Physique-Chimie (Spé)
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Ondes mécaniques et lumineuses, extraits du quiz de révision.
$v = \lambda \times f$. Si $\lambda = 2\ \mathrm{m}$ et $f = 5\ \mathrm{Hz}$, que vaut $v$ ?
Réponse :
$10\ \mathrm{m/s}$
On applique directement $v = \lambda \times f = 2 \times 5 = 10\ \mathrm{m/s}$.
Le son est une onde :
Réponse :
Mécanique
Le son est une onde **mécanique** : il a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide) pour se propager. Dans le vide, aucun son ne voyage.
La lumière dans le vide se propage à :
Réponse :
$300\,000\ \mathrm{km/s}$
La célérité de la lumière dans le vide vaut $c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s} = 300\,000\ \mathrm{km/s}$.
La diffraction est notable quand :
Réponse :
$\lambda \approx a$
La diffraction est significative lorsque la largeur $a$ de l'ouverture est de l'**ordre de grandeur** de la longueur d'onde, soit $\lambda \approx a$.