Ondes, son et optique physique

Objectif d'apprentissage 14.1.A : Décrire les propriétés physiques des ondes et des impulsions d'ondes.

• 14.1.A.1 Les ondes transfèrent de l'énergie entre deux emplacements sans transférer de matière entre ces emplacements.
  • 14.1.A.1.i Une impulsion d'onde est une perturbation unique qui transfère de l'énergie sans transférer de matière entre deux emplacements.
  • 14.1.A.1.ii Une onde est modélisée comme une perturbation continue et périodique avec une longueur d'onde et une fréquence bien définies.
• 14.1.A.2 Les ondes mécaniques ou les impulsions d'ondes nécessitent un milieu dans lequel se propager. Les ondes électromagnétiques ou les impulsions d'ondes ne nécessitent pas de milieu dans lequel se propager.
• 14.1.A.3 La vitesse à laquelle une onde ou une impulsion d'onde se propage dans un milieu dépend du type d'onde et des propriétés du milieu.
  • 14.1.A.3.i La vitesse de toutes les ondes électromagnétiques dans le vide est une constante physique universelle, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
  • 14.1.A.3.ii La vitesse à laquelle une impulsion d'onde ou une onde se propage le long d'une corde dépend de la tension dans la corde, $F_T$, et de la masse par unité de longueur de la corde.
    • Équation: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
  • 14.1.A.3.iii Dans un milieu donné, la vitesse des ondes sonores augmente avec la température du milieu.
• 14.1.A.4 Dans une onde transversale, la direction de la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde.
• 14.1.A.5 Dans une onde longitudinale, la direction de la perturbation est parallèle à la direction de propagation de l'onde.
  • 14.1.A.5.i Les ondes sonores sont modélisées comme des ondes longitudinales mécaniques.
  • 14.1.A.5.ii Les régions de haute et basse pression dans une onde sonore sont appelées compressions et raréfactions, respectivement.
• 14.1.A.6 L'amplitude est le déplacement maximal d'une onde par rapport à sa position d'équilibre.
  • 14.1.A.6.i L'amplitude d'une onde de pression longitudinale peut être déterminée par l'augmentation ou la diminution maximale de la pression par rapport à la pression d'équilibre.
  • 14.1.A.6.ii Le volume d'un son augmente avec l'augmentation de l'amplitude.
  • 14.1.A.6.iii L'énergie transportée par une onde augmente avec l'augmentation de l'amplitude.

Objectif d'apprentissage 14.2.A : Décrire les propriétés physiques d'une onde périodique.

• 14.2.A.1 Les ondes périodiques ont des répétitions régulières qui peuvent être décrites à l'aide de la période et de la fréquence.
  • 14.2.A.1.i La période est le temps nécessaire pour une oscillation complète de l'onde.
  • 14.2.A.1.ii La fréquence est le taux auquel l'onde se répète.
    • Équation: $T = \dfrac{1}{f}$
  • 14.2.A.1.iii L'amplitude d'une onde est indépendante de la période et de la fréquence de cette onde.
  • 14.2.A.1.iv L'énergie d'une onde augmente avec l'augmentation de la fréquence.
  • 14.2.A.1.v La fréquence d'une onde sonore est liée à son hauteur tonale.
  • 14.2.A.1.vi La longueur d'onde est la distance entre des positions correspondantes successives (telles que des crêtes ou des creux) sur une onde.
• 14.2.A.2 Une onde sinusoïdale peut être décrite par des équations pour le déplacement par rapport à l'équilibre à un endroit spécifique en fonction du temps. Une onde peut également être décrite par une équation pour le déplacement par rapport à l'équilibre à un instant spécifique en fonction de la position.
  • Équation : $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
  • Équation : $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
• 14.2.A.3 Pour une onde périodique, la longueur d'onde est proportionnelle à la vitesse de l'onde et inversement proportionnelle à la fréquence de l'onde.
  • Équation : $\lambda = \dfrac{v}{f}$

Objectif d'apprentissage 14.3.A : Décrire l'interaction entre une onde et une limite.

• 14.3.A.1 Une onde qui voyage d'un milieu à un autre peut être transmise ou réfléchie, selon les propriétés de la frontière séparant les deux milieux.
  • 14.3.A.1.i Une onde voyageant d'un milieu à un autre (par exemple, une onde voyageant entre des cordes de faible masse et de forte masse) entraînera des ondes réfléchies et transmises.
  • 14.3.A.1.ii Une onde réfléchie est inversée si l'onde transmise pénètre dans un milieu dans lequel la vitesse de l'onde diminue.
  • 14.3.A.1.iii Une onde réfléchie n'est pas inversée si l'onde transmise pénètre dans un milieu dans lequel la vitesse de l'onde augmente.
  • 14.3.A.1.iv La fréquence d'une onde ne change pas lorsqu'elle voyage d'un milieu à un autre.
• 14.3.A.2 Les ondes transversales qui sont réfléchies par une surface, réfractées à travers un milieu, ou passent à travers des ouvertures spécifiques peuvent être polarisées.
  • 14.3.A.2.i Les ondes transversales peuvent être polarisées et osciller dans un seul plan.
  • 14.3.A.2.ii Les ondes longitudinales ne peuvent pas être polarisées.
• 14.3.A.3 La polarisation d'une onde peut entraîner une réduction de l'intensité de l'onde.
  • 14.3.A.3.i L'intensité est une mesure de la quantité de puissance transférée par unité de surface.
  • 14.3.A.3.ii L'intensité d'une onde est la puissance moyenne par unité de surface sur une période de l'onde.

Objectif d'apprentissage 14.4.A : Décrire les propriétés d'une onde électromagnétique.

• 14.4.A.1 Les ondes électromagnétiques consistent en des champs électriques et magnétiques oscillants qui sont mutuellement perpendiculaires.
  • 14.4.A.1.i Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales car les oscillations des champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation.
  • 14.4.A.1.ii Les ondes électromagnétiques sont communément supposées être des ondes planes, caractérisées par des fronts d'onde plans.
• 14.4.A.2 Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de milieu pour se propager.
• 14.4.A.3 Les catégories d'ondes électromagnétiques sont caractérisées par leurs longueurs d'onde.
  • 14.4.A.3.i Les catégories d'ondes électromagnétiques incluent (dans l'ordre de longueur d'onde décroissante, couvrant une plage de kilomètres à picomètres) les ondes radio, les micro-ondes, l'infrarouge, le visible, l'ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma.
  • 14.4.A.3.ii Les ondes électromagnétiques visibles sont divisées en catégories de couleur, y compris (dans l'ordre de longueur d'onde décroissante) le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet.
  • 14.4.A.3.iii Les ondes électromagnétiques visibles sont aussi appelées lumière. Parfois, les ondes électromagnétiques de toutes les longueurs d'onde sont collectivement désignées comme lumière ou rayonnement électromagnétique.

Énoncé de délimitation : AP Physics 2 s'attend à ce que les étudiants connaissent l'ordonnancement du spectre électromagnétique (y compris la lumière visible). Cependant, les étudiants ne seront pas attendus à définir des plages de longueurs d'onde exactes au sein du spectre électromagnétique.

Objectif d'apprentissage 14.5.A : Décrire les propriétés d'une onde basées sur le mouvement relatif entre la source de l'onde et l'observateur de l'onde.

• 14.5.A.1 L'effet Doppler décrit la relation entre la fréquence propre d'une source d'onde, la fréquence observée de la source et la vitesse relative de la source et de l'observateur.
• 14.5.A.2 Une plus grande vitesse relative entraîne une plus grande différence mesurée entre les fréquences observées et propres.
  • 14.5.A.2.i Pour une source d'onde se déplaçant à la même vitesse que l'observateur, la fréquence observée est égale à la fréquence propre.
  • 14.5.A.2.ii Pour une source d'onde se déplaçant vers un observateur, la fréquence observée est supérieure à la fréquence propre.
  • 14.5.A.2.iii Pour une source d'onde se déplaçant loin d'un observateur, la fréquence observée est inférieure à la fréquence propre.

Énoncé de délimitation : Seules les traitements qualitatifs de l'effet Doppler sont requis pour AP Physics 2.

Objectif d'apprentissage 14.6.A : Décrire la perturbation nette qui se produit lorsque deux ou plusieurs impulsions d'ondes ou ondes se chevauchent.

• 14.6.A.1 L'interférence des ondes est l'interaction de deux ou plusieurs impulsions d'ondes ou ondes.
• 14.6.A.2 Lorsque deux ou plusieurs impulsions d'ondes ou ondes interagissent les unes avec les autres, elles traversent les unes les autres et se chevauchent plutôt que de rebondir les unes contre les autres.
• 14.6.A.3 Lorsque deux ou plusieurs impulsions d'ondes ou ondes se chevauchent, le déplacement résultant peut être déterminé en additionnant les déplacements individuels. C'est appelé superposition.
• 14.6.A.4 L'interférence des ondes peut être constructive ou destructive.
  • 14.6.A.4.i Lorsque les déplacements des impulsions d'ondes ou ondes superposées sont dans la même direction, l'interaction est appelée interférence constructive.
  • 14.6.A.4.ii Lorsque les déplacements des impulsions d'ondes ou ondes superposées sont dans des directions opposées, l'interaction est appelée interférence destructive.
  • 14.6.A.4.iii Deux ou plus impulsions d'ondes ou ondes voyageantes peuvent interagir de telle sorte qu'elles produisent des variations d'amplitude dans l'impulsion d'onde ou l'onde résultante.
• 14.6.A.5 Les représentations visuelles d'impulsions d'ondes ou d'ondes sont utiles pour déterminer le résultat de deux impulsions d'ondes ou ondes interagissant.
• 14.6.A.6 Les battements proviennent de l'addition de deux ondes de fréquences légèrement différentes.
  • 14.6.A.6.i Les ondes de fréquences différentes sont parfois en phase et parfois hors phase à des endroits le long des ondes, provoquant des variations périodiques d'amplitude dans l'onde résultante.
  • 14.6.A.6.ii La fréquence de battement est la différence entre les fréquences des deux ondes.
    • Équation: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
  • 14.6.A.6.iii Les diapasons sont des dispositifs couramment utilisés pour démontrer les fréquences de battement.

Objectif d'apprentissage 14.6.B : Décrire les propriétés d'une onde stationnaire.

• 14.6.B.1 Les ondes stationnaires peuvent résulter de l'interférence entre deux ondes confinées à une région et se déplaçant en sens opposés.
  • 14.6.B.1.i Les ondes stationnaires ont des nœuds et des ventres. Un nœud est un point sur l'onde stationnaire où l'amplitude est toujours nulle. Un ventre est un point sur l'onde stationnaire où l'amplitude est toujours maximale.
  • 14.6.B.1.ii Les longueurs d'onde possibles d'une onde stationnaire sont déterminées par la taille et les conditions aux limites de la région dans laquelle elle est confinée.
  • 14.6.B.1.iii Les régions courantes où des ondes stationnaires peuvent se former incluent les tuyaux à extrémités ouvertes ou fermées, ainsi que les cordes à extrémités fixes ou libres.
• 14.6.B.2 Une onde stationnaire ayant la plus grande longueur d'onde possible est appelée la fondamentale ou le premier harmonique. La deuxième plus grande longueur d'onde est généralement appelée le deuxième harmonique, la troisième plus grande longueur d'onde est appelée le troisième harmonique, et ainsi de suite. Cependant, pour une onde stationnaire avec un nœud à une extrémité et un ventre à l'autre extrémité, seuls les harmoniques impairs peuvent s'établir.
• 14.6.B.3 Les représentations visuelles des ondes stationnaires sont utiles pour déterminer les relations entre la longueur de la région, la longueur d'onde, la fréquence, la vitesse de l'onde et l'harmonique.

Objectif d'apprentissage 14.7.A : Décrire le comportement d'une onde et le motif de diffraction résultant d'une onde passant à travers une simple ouverture.

• 14.7.A.1 La diffraction est l'étalement d'une onde autour des bords d'un obstacle ou à travers une ouverture.
• 14.7.A.2 La diffraction est la plus prononcée lorsque la taille de l'ouverture est comparable à la longueur d'onde de l'onde.
• 14.7.A.3 La diffraction de plusieurs fronts d'onde à travers une simple ouverture conduit à des motifs d'interférence observables.
• 14.7.A.4 La diffraction est couramment démontrée par une lumière monochromatique de longueur d'onde $\lambda$ incidente sur une étroite ouverture de largeur $a$ située à une distance $L$ d'un écran.
  • 14.7.A.4.i L'interférence constructive et destructive de multiples fronts d'onde provenant de l'ouverture entraînera des bandes brillantes et sombres sur l'écran.
  • 14.7.A.4.ii Le degré d'interférence entre deux fronts d'onde dépend de la différence de chemin parcouru $\Delta D$ des fronts d'onde.
  • 14.7.A.4.iii La différence de chemin parcouru $\Delta D$ peut être décrite en termes de la largeur de l'ouverture $a$ et de l'angle $\theta$ entre la direction de propagation du front d'onde et la normale à l'ouverture par l'équation $\Delta D = a\sin\theta$.
  • 14.7.A.4.iv Pour les petits angles, où $\theta < 10°$, l'approximation des petits angles peut être utilisée pour relier $\lambda$, $a$ et $L$ à $y_{\min}$, la distance du centre de la fringe centrale brillante au minimum de luminosité d'ordre $m^{\text{th}}$ sur l'écran.
    • Équation: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
• 14.7.A.5 Le motif de diffraction produit par une onde passant à travers une ouverture dépend de la forme de l'ouverture.
• 14.7.A.6 Les représentations visuelles des motifs de diffraction à fente simple sont utiles pour déterminer les propriétés physiques de la fente et des ondes interagissant.

Objectif d'apprentissage 14.8.A : Décrire le comportement d'une onde et le motif de diffraction résultant de l'onde passant à travers plusieurs ouvertures.

• 14.8.A.1 Le motif résultant d'une lumière monochromatique de longueur d'onde $\lambda$ incidente sur deux fentes espacées d'une distance $d$ est causé par une combinaison de diffraction d'onde et d'interférence d'onde.
  • 14.8.A.1.i En ne considérant que l'interférence d'onde, une double fente crée un motif de maxima uniformément espacés.
  • 14.8.A.1.ii L'interférence constructive et destructive des fronts d'onde provenant de chaque fente entraînera des bandes brillantes et sombres sur l'écran.
  • 14.8.A.1.iii Le degré d'interférence entre deux fronts d'onde dépend de la différence de chemin parcouru $\Delta D$ des fronts d'onde.
  • 14.8.A.1.iv La différence de chemin parcouru $\Delta D$ peut être décrite en termes de l'espacement des fentes $d$ et de l'angle $\theta$ entre la direction de propagation du front d'onde et la normale à l'ouverture par l'équation $\Delta D = d\sin\theta$.
  • 14.8.A.1.v Pour les petits angles, où $\theta < 10°$, l'approximation des petits angles peut être utilisée pour relier $\lambda$, $d$ et $L$ à $y_{\max}$, la distance du centre de la fringe centrale brillante au maximum de luminosité d'ordre $m^{\text{th}}$ sur l'écran.
    • Équation: $d\left(\dfrac{y_{\max}}{L}\right) \approx m\lambda$
  • 14.8.A.1.vi En considérant l'interférence d'onde et la diffraction d'onde, une double fente crée un motif d'interférence de maxima et minima superposés dans l'enveloppe créée par la diffraction à fente simple.
• 14.8.A.2 Les motifs d'interférence produits par la lumière interagissant avec une double fente indiquent que la lumière a des propriétés ondulatoires. La source de cette découverte était l'expérience de la double fente de Young.
• 14.8.A.3 Les représentations visuelles des motifs de diffraction à double fente sont utiles pour déterminer les propriétés physiques des fentes et des ondes interagissant.
• 14.8.A.4 Un réseau de diffraction est un ensemble de fentes ou d'ouvertures parallèles régulièrement espacées qui produisent un motif d'interférence qui est la combinaison de nombreux motifs de diffraction superposés les uns sur les autres.
• 14.8.A.5 Lorsque la lumière blanche est incidente sur un réseau de diffraction, le maximum central est blanc et les maxima d'ordre supérieur dispersent la lumière blanche en un arc-en-ciel de couleurs, la lumière de plus grande longueur d'onde (rouge) apparaissant le plus loin du maximum central.

Objectif d'apprentissage 14.9.A : Décrire le comportement de la lumière interagissant avec un film mince.

• 14.9.A.1 Lorsqu'une lumière passe d'un milieu à un autre, une partie de la lumière est transmise, une partie est réfléchie et une partie est absorbée.
• 14.9.A.2 Le changement de phase d'un rayon réfléchi dépend des indices de réfraction relatifs des matériaux avec lesquels le rayon interagit.
  • 14.9.A.2.i Un changement de phase de 180 degrés se produit lorsqu'un rayon lumineux est réfléchi depuis un milieu ayant un indice de réfraction supérieur à celui du milieu dans lequel le rayon voyage.
  • 14.9.A.2.ii Aucun changement de phase ne se produit lorsqu'un rayon lumineux est réfléchi depuis un milieu ayant un indice de réfraction inférieur à celui du milieu dans lequel le rayon voyage.
• 14.9.A.3 La phase d'une onde ne change pas lorsqu'elle est réfractée en passant d'un milieu à un autre.
• 14.9.A.4 L'interférence à film mince se produit lorsque la lumière interagit avec un milieu dont l'épaisseur est comparable à la longueur d'onde de la lumière.
  • 14.9.A.4.i Les interactions entre la lumière initialement réfléchie et la lumière sortant du film mince après réflexion à la seconde interface présentent un comportement d'interférence d'onde, résultant en une onde unique qui est la somme des deux ondes interagissant.
  • 14.9.A.4.ii Le degré d'interférence constructive ou destructive entre les deux ondes réfléchies dépend de la relation entre l'épaisseur du film, la longueur d'onde de la lumière, tout déphasage et l'angle auquel la lumière incidente frappe le film.
• 14.9.A.5 Les exemples pratiques de l'interférence à film mince incluent les variations de couleur observées dans les bulles de savon et les films d'huile, ainsi que les revêtements antireflet.
  • 14.9.A.5.i Le spectre de couleurs observé dans les films d'huile et les bulles de savon provient des différences d'épaisseur du film.
  • 14.9.A.5.ii Les revêtements antireflet éliminent la lumière réfléchie en appliquant les relations entre les indices de réfraction, le déphasage et l'interférence d'onde pour créer une interférence destructive de la lumière réfléchie par les deux surfaces du revêtement.
  • 14.9.A.5.iii Le revêtement antireflet le plus simple a une épaisseur égale au quart de la longueur d'onde de la lumière dans le revêtement, et l'indice de réfraction du revêtement est supérieur à celui de l'air et inférieur à celui de la surface sur laquelle le revêtement est appliqué. Cela suppose une lumière incidente normale à la surface.

Énoncé de limite : L'analyse quantitative de l'interférence à film mince est limitée aux ondes qui sont normales à la surface incidente.