Physique-Chimie — Ondes et signaux
Ondes sonores et lumineuses
Son, lumière, fréquence, longueur d'onde
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Le son et la lumière voyagent tous deux sous forme d'**ondes**, mais leurs natures sont opposées. Le **son** est une onde **mécanique** : il a besoin de matière pour se propager et reste **muet dans le vide** — dans l'espace, personne ne vous entend crier. La **lumière** est une onde **électromagnétique** : elle traverse le vide à la vitesse vertigineuse de $c = 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$. Pour décrire n'importe quelle onde, deux grandeurs suffisent : la **fréquence** $f$ (qui fixe la hauteur d'un son ou la couleur d'une lumière) et la **longueur d'onde** $\lambda$. Elles sont reliées par une formule unique, valable pour toutes les ondes : $v = \lambda \times f$.
Un son naît toujours d'une **vibration** : corde de guitare, haut-parleur, cordes vocales. Cette vibration se transmet de proche en proche dans la matière qui entoure la source. C'est une onde **mécanique** : sans milieu matériel, elle ne peut **pas** se propager — d'où le silence absolu du vide spatial.
- Un son est **produit par la vibration** d'un objet (corde, membrane, cordes vocales).
- **Onde mécanique :** elle a besoin d'un **milieu matériel** (gaz, liquide ou solide) pour se propager.
- Elle **ne se propage pas dans le vide** (contrairement à la lumière).
- **Vitesse dans l'air :** $v \approx 340\ \mathrm{m/s}$ à $20\,{}^\circ\mathrm{C}$ ; environ $1\,500\ \mathrm{m/s}$ dans l'eau, $\approx 5\,000\ \mathrm{m/s}$ dans un métal.
- **Fréquence $f$** (en $\mathrm{Hz}$) : nombre de vibrations par seconde — elle fixe la **hauteur** du son.
- **Grave** $=$ basse fréquence (ex. $100\ \mathrm{Hz}$) ; **aigu** $=$ haute fréquence (ex. $10\,000\ \mathrm{Hz}$).
- **Domaine audible** humain : de $20\ \mathrm{Hz}$ à $20\,000\ \mathrm{Hz}$ ($20\ \mathrm{kHz}$).
- **Infrasons** : $f < 20\ \mathrm{Hz}$ (éléphants, séismes) ; **ultrasons** : $f > 20\ \mathrm{kHz}$ (chauves-souris, échographie).
Exemple
Pour estimer la distance d'un orage : on voit l'éclair quasi instantanément, mais le tonnerre voyage à $340\ \mathrm{m/s}$. S'il arrive $3\ \mathrm{s}$ après l'éclair, l'orage est à $d = v \times t = 340 \times 3 \approx 1\,000\ \mathrm{m}$, soit environ $1\ \mathrm{km}$.
Piège à éviter
Ne confonds pas **fréquence** et **amplitude** : la fréquence règle la **hauteur** (grave ou aigu), tandis que l'amplitude règle l'**intensité** (le volume). Monter le son d'une enceinte augmente l'amplitude, pas la fréquence.
Contrairement au son, la lumière n'a besoin d'**aucun support** : c'est une onde **électromagnétique** qui traverse même le vide, et c'est ainsi que la lumière du Soleil nous parvient. La lumière blanche cache en réalité **toutes les couleurs**, qu'un prisme peut séparer.
- **Onde électromagnétique :** se propage **sans milieu matériel**, y compris dans le vide.
- **Vitesse dans le vide :** $c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s} = 300\,000\ \mathrm{km/s}$.
- La lumière met environ $8$ minutes à franchir les $150$ millions de $\mathrm{km}$ entre le Soleil et la Terre.
- **Lumière blanche :** superposition de **toutes les couleurs** du spectre visible.
- **Spectre visible :** du **violet** ($\lambda \approx 400\ \mathrm{nm}$) au **rouge** ($\lambda \approx 700\ \mathrm{nm}$).
- **Dispersion :** un prisme (ou des gouttes d'eau) **décompose** la lumière blanche en ses couleurs.
- Au-delà du visible : **UV** ($\lambda < 400\ \mathrm{nm}$), **infrarouge** ($\lambda > 700\ \mathrm{nm}$), puis rayons X, micro-ondes, ondes radio — toutes invisibles.
Exemple
L'**arc-en-ciel** illustre la dispersion : les gouttelettes d'eau en suspension jouent le rôle de minuscules prismes et séparent la lumière blanche du Soleil en ses couleurs, du violet (courte $\lambda$) au rouge (grande $\lambda$).
Piège à éviter
Le son et la lumière ne se comportent pas pareil : le **son ne traverse pas le vide**, la **lumière si**. Et $1\ \mathrm{nm} = 10^{-9}\ \mathrm{m}$ : pour utiliser $\lambda$ dans un calcul, convertis toujours les nanomètres en mètres.
Une seule formule relie la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence de **n'importe quelle** onde : $v = \lambda \times f$. La **longueur d'onde** $\lambda$ est la distance qui sépare deux crêtes successives ; la **fréquence** $f$ compte les oscillations par seconde. À vitesse fixée, plus $f$ est grande, plus $\lambda$ est petite.
- **Relation universelle :** $v = \lambda \times f$ (valable pour toutes les ondes).
- $v$ : vitesse en $\mathrm{m/s}$ ; $\lambda$ : longueur d'onde en $\mathrm{m}$ ; $f$ : fréquence en $\mathrm{Hz}$.
- On en déduit : $\lambda = \dfrac{v}{f}$ et $f = \dfrac{v}{\lambda}$.
- À vitesse constante : **plus $f$ est grande, plus $\lambda$ est petite** (et inversement).
- L'**amplitude** mesure l'intensité de l'onde (volume pour le son, luminosité pour la lumière).
Exemple
Une note La, de fréquence $f = 440\ \mathrm{Hz}$, se propage dans l'air à $v = 340\ \mathrm{m/s}$. Sa longueur d'onde vaut $\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{440} \approx 0{,}77\ \mathrm{m}$.
Piège à éviter
Garde des **unités cohérentes** : $\lambda$ en mètres, $f$ en hertz, $v$ en $\mathrm{m/s}$. Une longueur d'onde lumineuse donnée en $\mathrm{nm}$ doit d'abord être convertie ($600\ \mathrm{nm} = 6 \times 10^{-7}\ \mathrm{m}$) avant tout calcul.
Sons et lumières sont partout dès qu'on sait les repérer : du calcul de la distance d'un orage à l'imagerie médicale, en passant par l'écho et le sonar. Ces applications reposent toujours sur les mêmes idées : vitesse de propagation et réflexion des ondes.
- **Orage :** l'éclair est quasi instantané, le tonnerre met $\approx 3\ \mathrm{s}$ par kilomètre — on compte les secondes pour estimer la distance.
- **Écho :** le son se réfléchit sur une paroi et revient à la source.
- **Arc-en-ciel :** dispersion de la lumière blanche par les gouttelettes d'eau.
- **Échographie :** des **ultrasons** réfléchis par les organes forment une image en temps réel.
- **Sonar :** des ultrasons sous l'eau mesurent les profondeurs et détectent les obstacles.
Exemple
Un randonneur crie face à une falaise et entend son écho $1\ \mathrm{s}$ plus tard. Le son a fait l'aller-retour : il a parcouru $d = v \times t = 340 \times 1 = 340\ \mathrm{m}$. La falaise est donc à la **moitié**, soit $170\ \mathrm{m}$.
Piège à éviter
Pour un écho, le son parcourt **deux fois** la distance (aller **et** retour) : pense à **diviser par $2$** la distance trouvée pour obtenir l'éloignement réel de l'obstacle.
Quiz - Ondes sonores et lumineuses
10 questions
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Ondes sonores et lumineuses, extraits du quiz de révision.
Le son peut-il se propager dans le vide ?
Réponse :
Non
Le son est une **onde mécanique** : il a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide) et ne traverse donc **pas** le vide.
La vitesse de la lumière dans le vide est d'environ :
Réponse :
$300\,000\ \mathrm{km/s}$
$c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s} = 300\,000\ \mathrm{km/s}$ dans le vide.
La relation $v = \lambda \times f$ relie :
Réponse :
Vitesse, longueur d'onde et fréquence
$v$ (vitesse, $\mathrm{m/s}$) $= \lambda$ (longueur d'onde, $\mathrm{m}$) $\times f$ (fréquence, $\mathrm{Hz}$).
L'oreille humaine perçoit les sons de :
Réponse :
$20$ à $20\,000\ \mathrm{Hz}$
Le domaine audible humain s'étend de $20\ \mathrm{Hz}$ (graves) à $20\,000\ \mathrm{Hz}$ (aigus).