Physique-Chimie — Terminale
Ondes et signaux — Terminale Physique
Ondes mécaniques et électromagnétiques, effet Doppler, diffraction, interférences, optique ondulatoire.
Par ProfBot
Ondes et signaux — Terminale Physique-Chimie
🎯 Objectif : Comprendre les propriétés des ondes et leurs applications technologiques.
1. Caractéristiques d'une onde
Définition
Une onde est la propagation d'une perturbation sans transport de matière, avec transport d'énergie.
Types d'ondes
| Type | Propagation | Exemples |
|---|---|---|
| Mécanique | Dans un milieu matériel | Son, vagues, sismique |
| Électromagnétique | Dans le vide ou un milieu | Lumière, radio, UV, IR |
Grandeurs caractéristiques
Période T (s) : durée d'un cycle complet
Fréquence f = 1/T (Hz)
Longueur d'onde λ (m) : distance parcourue en une période
Célérité v (m/s)
Relation fondamentale :
v = λ × f = λ / T
2. Ondes sonores
Le son est une onde mécanique longitudinale (la vibration est parallèle à la propagation).
Vitesse du son
v ≈ 340 m/s dans l'air (à 20°C)
v ≈ 1500 m/s dans l'eau
v ≈ 5000 m/s dans l'acier
Hauteur et timbre
- Hauteur (grave/aigu) : liée à la fréquence (440 Hz = La concert)
- Intensité (fort/doux) : liée à l'amplitude
- Timbre : lié aux harmoniques (spectre fréquentiel)
Niveau sonore (décibels)
L = 10 × log₁₀(I / I₀) (dB)
I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d'audibilité)
3. Ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à :
c = 3 × 10⁸ m/s
Spectre électromagnétique (longueurs d'onde croissantes)
γ → X → UV → Visible → IR → micro-ondes → radio
↑
[400 nm — 800 nm] = lumière visible
violet → rouge
Dispersion : relation dans un milieu
n = c / v (indice de réfraction)
λ_milieu = λ_vide / n
4. Effet Doppler
L'effet Doppler est le changement apparent de fréquence dû au mouvement relatif source/récepteur.
Formule
Δf/f₀ = v_rel / v_onde
Δf = f_reçue - f_émise
v_rel = vitesse relative source-récepteur
Source qui se rapproche → fréquence plus élevée (son aigu)
Source qui s'éloigne → fréquence plus basse (son grave)
Applications
- Radar de contrôle de vitesse
- Échographie Doppler (mesure du flux sanguin)
- Astronomie : décalage spectral pour mesurer la vitesse des étoiles
Décalage vers le rouge (redshift)
Si une étoile s'éloigne, ses raies spectrales se décalent vers les grandes longueurs d'onde (rouge).
Δλ/λ₀ ≈ v/c (pour v << c)
5. Diffraction
La diffraction est l'étalement d'une onde après le passage d'une fente ou d'un obstacle.
Condition de diffraction
L'effet est notable quand :
λ ≈ a (λ : longueur d'onde, a : largeur de la fente)
Largeur du maximum central
L = 2 × λD / a
D : distance fente-écran
a : largeur de la fente
Plus la fente est étroite, plus la diffraction est grande.
6. Interférences lumineuses
Deux sources cohérentes créent des interférences.
Condition d'interférence constructive (frange brillante)
δ = k × λ (k entier)
δ = différence de marche
Condition d'interférence destructive (frange sombre)
δ = (k + 1/2) × λ
Dispositif de Young (double fente)
Interfrange : i = λD / a
D : distance fentes-écran
a : écartement des fentes
7. Applications technologiques
| Phénomène | Application |
|---|---|
| Diffraction | Spectromètre à réseau, holographie |
| Interférences | Antireflet, contrôle de surface |
| Doppler | Radar, échographie, astronomie |
| Ondes radio | Wi-Fi, téléphonie, GPS |
| Micro-ondes | Four micro-ondes, radar météo |
Exercices d'application
- Calculer longueur d'onde, fréquence et célérité
- Exploiter un spectre sonore (hauteur, timbre)
- Calculer un décalage Doppler (radar, étoile)
- Déterminer l'interfrange et positions des franges (Young)
- Calculer la largeur du maximum de diffraction