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.
La longueur d'onde $\lambda$ sépare deux crêtes ; l'amplitude $A$ mesure la hauteur de l'onde. La relation $v = \lambda \times f$ les relie à la fréquence.
- 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
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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).