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

TypePropagationExemples
MécaniqueDans un milieu matérielSon, vagues, sismique
ÉlectromagnétiqueDans le vide ou un milieuLumière, 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

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

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

PhénomèneApplication
DiffractionSpectromètre à réseau, holographie
InterférencesAntireflet, contrôle de surface
DopplerRadar, échographie, astronomie
Ondes radioWi-Fi, téléphonie, GPS
Micro-ondesFour micro-ondes, radar météo

Exercices d'application

  1. Calculer longueur d'onde, fréquence et célérité
  2. Exploiter un spectre sonore (hauteur, timbre)
  3. Calculer un décalage Doppler (radar, étoile)
  4. Déterminer l'interfrange et positions des franges (Young)
  5. Calculer la largeur du maximum de diffraction

Tous les cours · coursDeLion · La chaîne YouTube