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Physique-Chimie (Spé) — Ondes et signaux

Ondes et signaux

Propriétés des ondes, diffraction, interférences, effet Doppler, spectre électromagnétique

Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 15 questionsGratuit, sans pub

Résumé

Une onde propage une perturbation sans transporter de matière : les ondes mécaniques (son, vagues, séismes) exigent un milieu, les ondes électromagnétiques (lumière, radio, rayons X) voyagent même dans le vide à $c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$. Toute onde obéit à la relation fondamentale $v = \lambda \times f$. Quand elle rencontre une ouverture de taille comparable à $\lambda$, elle diffracte ($\theta \approx \dfrac{\lambda}{a}$) ; quand deux ondes cohérentes se superposent, elles interfèrent — constructives si $\delta = k\lambda$, destructives si $\delta = \left(k+\tfrac{1}{2}\right)\lambda$. L'effet Doppler décale la fréquence perçue selon le mouvement relatif : le redshift des galaxies, traduit par la loi de Hubble $v = H_0\, d$, a révélé l'expansion de l'Univers. Enfin, du poste de radio au scanner médical, tout le spectre électromagnétique — des ondes radio aux rayons $\gamma$ — n'est qu'une même physique déclinée sur des longueurs d'onde différentes.

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Questions fréquentes

Les points clés à retenir sur Ondes et signaux, extraits du quiz de révision.

La relation fondamentale des ondes est :
Réponse :
$v = \lambda \times f$
La relation fondamentale liant la célérité $v$ (en $\mathrm{m/s}$), la longueur d'onde $\lambda$ (en $\mathrm{m}$) et la fréquence $f$ (en $\mathrm{Hz}$) est $v = \lambda \times f$. Elle est universelle : elle s'applique à toutes les ondes, mécaniques comme électromagnétiques.
La diffraction est maximale quand :
Réponse :
L'ouverture est de dimension comparable ou inférieure à $\lambda$
La diffraction est significative lorsque la taille de l'ouverture (ou de l'obstacle) $a$ est du même ordre de grandeur que $\lambda$, ou plus petite. Comme $\theta \approx \dfrac{\lambda}{a}$, plus $a$ est petit devant $\lambda$, plus l'onde s'étale après l'ouverture.
Des interférences constructives se produisent quand la différence de marche vaut :
Réponse :
$\delta = k\lambda$ ($k$ entier)
Les interférences sont constructives lorsque les deux ondes arrivent en phase, c'est-à-dire quand la différence de marche $\delta$ est un multiple entier de la longueur d'onde : $\delta = k\lambda$ ($k = 0, 1, 2, \dots$). Les amplitudes s'additionnent et l'intensité est maximale.
Quand une source sonore s'éloigne de l'observateur, le son perçu est :
Réponse :
Plus grave
Par effet Doppler, lorsque la source s'éloigne, les fronts d'onde sont étirés : la longueur d'onde perçue augmente et la fréquence diminue. Le son est perçu comme plus grave — l'effet que l'on entend quand une ambulance s'éloigne.
La vitesse de la lumière dans le vide est environ :
Réponse :
$3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$
La célérité de la lumière dans le vide est $c \approx 3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$ (valeur exacte : $299\,792\,458\ \mathrm{m/s}$). C'est une constante fondamentale, la vitesse maximale de propagation de l'information selon la relativité restreinte.
Le redshift des galaxies lointaines montre que :
Réponse :
L'Univers est en expansion
Le décalage vers le rouge (redshift) des raies spectrales des galaxies, observé par Hubble en 1929, montre qu'elles s'éloignent de nous. Plus une galaxie est lointaine, plus son redshift est grand (loi de Hubble $v = H_0\, d$) : c'est la preuve de l'expansion de l'Univers.
Dans le spectre électromagnétique, l'ordre croissant de fréquence est :
Réponse :
Radio, IR, visible, UV, X, gamma
Classé par fréquence croissante (donc énergie croissante et longueur d'onde décroissante), le spectre est : ondes radio $\rightarrow$ micro-ondes $\rightarrow$ infrarouge $\rightarrow$ visible $\rightarrow$ ultraviolet $\rightarrow$ rayons X $\rightarrow$ rayons $\gamma$.
L'expérience des fentes d'Young met en évidence :
Réponse :
Le caractère ondulatoire de la lumière
En 1801, Thomas Young observe sur un écran des franges d'interférences (bandes brillantes et sombres alternées). Ce phénomène ne s'explique que par le caractère ondulatoire de la lumière, démontrant que la lumière se comporte comme une onde.
Le son est une onde :
Réponse :
Longitudinale qui nécessite un milieu matériel
Le son est une onde mécanique longitudinale : la perturbation (compressions et dilatations de l'air) se propage parallèlement à la direction de propagation. Comme toute onde mécanique, il nécessite un milieu matériel et ne peut pas se propager dans le vide.
L'interfrange $i$ dans l'expérience des fentes d'Young dépend de :
Réponse :
La longueur d'onde, la distance fentes-écran et l'écartement entre les fentes
L'interfrange $i = \dfrac{\lambda D}{a}$, où $\lambda$ est la longueur d'onde, $D$ la distance fentes-écran et $a$ l'écartement entre les deux fentes. Augmenter $\lambda$ ou $D$ agrandit l'interfrange, tandis que rapprocher les fentes (diminuer $a$) l'agrandit aussi.