ondes
ondes
sciences physiques pour enseignant du premier degré
qu'est-ce qu'une onde?
qu'est-ce qu'une onde?
condition de propagation d'une onde
fréquence, célérité et longueur d'onde
beaucoup de phénomènes physiques se transmettent sous la forme d'ondes.
les ondes mécaniques : vibrations mécaniques, ondes sonores, vagues à la surface de l'eau, ondes sismiques etc. où se propage un état de tension, de vitesse et de pression...
les ondes électromagnétique : lumière, ondes radio, infrarouge, ultraviolet, rayon x, rayon gamma, où se propage un état de champs électrique et magnétique...
les ondes de spin où se propage un état d'orientation d'atomes etc.etc.
remarque
lors de la propagation d'une onde d'un point vers un autre, il n'y a pas de transport de matière (les vagues ne font pas avancer le bateau). l'onde ne transporte que de l'énergie; un point atteint par une onde reproduit l'état de la source avec une amplitude moindre et un retard du à la durée nécessaire à l'onde pour parcourir la distance qui le sépare de la source.ainsi, sur l'animation ci-dessous, le point m effectue le même mouvement que la source s
condition de propagation d'une onde
pour qu'une onde se propage il faut:
que le milieu environnant la source permette la propagation de l'onde. par exemple, les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide, les ondes lumineuses ne se propagent pas dans les substances opaques, les rayons x se propagent dans les tissus biologiques mous mais pas dans les os.
que la source soit dans un état vibratoire: corde vibrante d'un instrument de musique, vibration des électrons dans une antenne, etc.
on parle d'onde longitudinale, lorsque le phénomène physique se passe dans la même direction que la direction de propagation, comme des ondes de compression dans un ressort, ou la compression de l'air lors du passage d'une onde sonore.une fine tranche d'air effectue au passage de l'onde des mouvements d'aller et retour dans la direction de propagation de l'onde sonore
dans le cas ou le phénomène est perpendiculaire à la direction de propagation, l'onde est transversale; c'est le cas du champ électrique et du champ magnétique de l'onde électromagnétique, du déplacement des points d'une corde. il est des cas plus complexes: l'eau des vagues effectue de petits cercles.
fréquence, célérité et longueur d'onde
la fréquence n mesure le nombre de vibrations par seconde de la source; en général, un point atteint par l'onde vibrera avec la même fréquence que la source. la fréquence se mesure en hertz. 1hz = 1 vibration par seconde.
on appelle période t la durée (mesurée en secondes) d'une vibration entière.si une source vibre avec la fréquence n sa période sera t = 1/n
par exemple, les ondes sonores audibles sont émises par des sources vibrant mécaniquement entre 50 et 15 000 hz
les ondes lumineuses (électromagnétiques) visibles par l'oeil humain sont émises à des fréquences entre 3,7 1014hz et 7,5.1014hz
la célérité de l'onde est la vitesse c avec laquelle l'onde se propage. le point m reproduit l'état de la source s avec un retard dt = sm/c
la célérité des ondes dépend du milieu de propagation, de la nature physique du phénomène. pour un même milieu de propagation, la célérité des ondes dépend souvent de la fréquence de vibration.
par exemple:
le son se propage dans l'air sec à 25°c à 346 m/s, dans l'eau à 1500 m/s et dans l'acier à près de 5000 m/s mais ne dépend pas de la fréquence (on n'entend pas la flute avant la contrebasse!);
les vagues à la surface de la mer se propagent avec une célérité egale à 1,56 fois leur période;
une vague de période 10 seconde se propage à 15,6 m/s (56 km/h)
une vague de période 5 seconde se propage à 7,8 m/s (28 km/h)
la lumière se propage à 300 000 km/s quelque soit sa fréquence dans le vide, mais dans un matériaux transparent, la célérité des ondes lumineuses dépend de sa couleur (donc de sa longueur d'onde) et du milieu de propagation.
longueur d'onde
durant une période t, un front d'onde a parcouru une distance l =c*t = c/n. cette distance est appelée longueur d'onde
deux point séparés par un nombre entier de longueur d'onde sont dans le même état de vibration; on dit qu'ils vibrent en phase. ici les points m1, m2 et m3 vibrent en phase, ils sont séparés par une longueur d'onde;
exemple de longueur d'onde:
dans le vide, la célérité des ondes électromagnétique est de 299 792 000 m/s, la lumière visible a une longueur d'onde comprise entre 0,4 µm et 0,8 µm.
dans l'air sec à 20 °c, la célérité des ondes sonores est de 344 m/s; la fréquence de la note la3 est de 440 hz; la longueur d'onde est donc de 78,2 cm.
il ne faut pas confondre ces deux phénomènes: les ondes sonores sont des ondes mécaniques de variation de pression de l'air (ou des matériaux dans lesquels le son se propage), la lumière est une onde électromagnétique (champ électrique et champ magnétique) en général perpendiculaires à la direction de propagation.
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