Ondes : énergie qui se propage
Des ondulations traversent une mare, la lumière traverse une pièce, le son traverse l'air — les ondes transportent de l'énergie et des informations sans transférer de matière. Cette section vous fournit leur vocabulaire et leurs équations, le spectre électromagnétique avec ses utilisations et dangers, ainsi que le comportement de la lumière et (P) du son : réflexion, réfraction et réflexion totale interne.
Physique Edexcel International GCSE 4PH1, Section 3 (énoncés 3.1–3.29P). Unités : degré (°), hertz (Hz), mètre (m), m/s, seconde (s).
Propriétés des ondes
Les ondes transversales oscillent perpendiculairement à la propagation (lumière, eau). Les ondes longitudinales oscillent le long de la direction de propagation sous forme de compressions et de raréfactions (son). Vocabulaire : amplitude (déplacement maximal), longueur d'onde λ (d'un sommet au suivant), fréquence f (ondes par seconde, Hz), période T (temps par onde), front d'onde (ligne de sommets simultanés).
Vérification corrigée. Une onde sonore de 340 Hz à 340 m/s : $\lambda = 340/340 = 1$ m ; période $= 1/340 \approx 2.9$ ms. L'effet Doppler : une source se déplaçant vers un observateur rapproche les fronts d'onde — fréquence observée plus élevée ; s'éloignant, il les étire — fréquence plus basse.
Le spectre électromagnétique
Une famille, même vitesse dans l'espace vide, classée par longueur d'onde décroissante (fréquence croissante) : radio → micro-ondes → infrarouge → visible (rouge à violet) → ultraviolet → rayons X → gamma.
| Rayonnement | Utilisation | Danger |
|---|---|---|
| radio | radiodiffusion, communications | — |
| micro-ondes | cuisson, télévision par satellite | échauffement interne des tissus |
| infrarouge | chauffages, vision nocturne | brûlures cutanées |
| visible | fibres optiques, photographie | — |
| ultraviolet | lampes fluorescentes | lésions des cellules de surface, cécité |
| rayons X | imagerie à l'intérieur d'objets/organismes | cancer, mutation (ionisant) |
| gamma | stérilisation alimentaire et du matériel | cancer, mutation |
Protection : limiter le temps d'exposition, blindage, crème solaire (UV).
Lumière et son
La lumière est transversale, elle se refléchit et se réfracte. Loi de la réflexion : angle d'incidence = angle de réflexion. Réfraction : en entrant dans le verre (optiquement plus dense), la lumière ralentit et s'incurve vers la normale ; en sortant, elle s'en éloigne.
Exemple résolu (loi de Snell-Descartes). Un rayon dans l'air rencontre un bloc de verre à un angle d'incidence de 50° ; l'angle de réfraction est 30°. Indice de réfraction $n = \dfrac{\sin 50°}{\sin 30°} = \dfrac{0.766}{0.500} = 1.53$. Les deux angles sont mesurés par rapport à la normale : un rayon formant un angle de 50° avec la surface a un angle d'incidence de seulement 40°.
Réflexion totale interne se produit à une interface allant d'un indice de réfraction élevé vers un indice faible lorsque l'angle d'incidence, mesuré par rapport à la normale, dépasse l'angle critique — principe des fibres optiques (télécommunications, endoscopes) et des prismes dans les périscopes.
Exemple résolu. Verre avec $n = 1.5$ : $\sin c = 1/1.5 = 0.667$, donc $c \approx 41.8°$. Un rayon à l'intérieur du verre heurtant la frontière à 45° dépasse 41.8° — réflexion totale interne.
(P) Le son est longitudinal, 20–20 000 Hz pour l'ouïe humaine ; le ton monte avec la fréquence, le volume avec l'amplitude. Un oscilloscope avec microphone affiche l'onde ; les travaux pratiques mesurent des échos ou résonances pour déterminer la vitesse du son dans l'air.
Exemple résolu (P) (lecture sur un oscilloscope). Une onde sonore sur l'écran d'un oscilloscope montre exactement 4 ondes complètes sur 10 carreaux ; la base de temps est réglée à 1 ms par carreau. Une onde couvre 2.5 carreaux, donc la période $T = 2.5 \times 1\ \text{ms} = 2.5\ \text{ms} = 0.0025$ s et $f = 1/T = 400$ Hz. Si le son est rendu plus fort à même hauteur, les ondes deviennent plus hautes (amplitude plus grande) mais occupent toujours 2.5 carreaux chacune.
Exemple résolu (P) (écho). Un étudiant applaudit à 165 m d'un mur et entend l'écho 1.0 s plus tard. Le son parcourt l'aller-retour, soit $2 \times 165 = 330$ m, donc la vitesse est de $v = 330 \div 1.0 = 330$ m/s.
Erreurs courantes
- Mesurer les angles par rapport à la surface. Les angles d'incidence, de réflexion et de réfraction sont mesurés par rapport à la normale.
- Dire que la réflexion totale interne se produit lorsque la lumière pénètre dans le verre. Elle ne se produit qu'à l'intérieur du milieu plus dense, à un angle supérieur à l'angle critique.
- Confondre les types d'ondes. La lumière et toutes les ondes électromagnétiques sont transversales ; le son est longitudinal.
- Compter les carreaux de l'oscilloscope sur tout l'écran comme une période. Comptez les carreaux correspondant à une onde complète, puis multipliez par la base de temps.
- Oublier que l'écho parcourt le trajet aller-retour. Doublez la distance (ou divisez le temps par deux).
- Dire que les ondes électromagnétiques de fréquence plus élevée voyagent plus vite. Toutes voyagent à la même vitesse dans le vide.
Vérifiez-vous
- Citez une similitude et une différence entre les ondes transversales et longitudinales.
- Définissez amplitude, longueur d'onde et fréquence.
- Une onde de fréquence 500 Hz se déplace à 340 m/s. Calculer sa longueur d'onde.
- Énoncez l'ordre du spectre électromagnétique par fréquence croissante.
- Citez une application des micro-ondes, de l'infrarouge et des rayons gamma, ainsi qu'un danger des ultraviolets.
- Énoncez la loi de la réflexion.
- Dans quel sens la lumière se courbe-t-elle en entrant dans le verre, et en en sortant ?
- Le verre a un indice n = 1.5. Calculez l'angle limite.
- (P) Indiquez la plage de fréquences audibles par l'oreille humaine, ainsi que ce qui élève le ton et le volume sonore.
- (P) Comment évolue le tracé d'un oscilloscope lorsque le son devient plus fort tout en conservant le même ton ?
Réponses : 1 les deux transfèrent de l'énergie sans transférer de matière ; transversal oscille perpendiculairement à la direction de propagation (lumière), longitudinal s'y déplace selon elle via des compressions (son) ; 2 amplitude — déplacement maximal par rapport à la position d'équilibre ; longueur d'onde — distance entre deux points identiques consécutifs ; fréquence — nombre d'ondes passant par seconde ; 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ m ; 4 radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, rayon X, gamma ; 5 micro-ondes — cuisson/satellites ; infrarouge — chauffages/night vision ; gamma — stérilisation ; UV endommagent les cellules superficielles et peuvent causer la cécité ; 6 angle d'incidence = angle de réflexion ; 7 vers la normale à l'entrée, loin de la normale à la sortie ; 8 $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$ ; 9 (P) 20–20 000 Hz ; une fréquence plus élevée élève le ton, une amplitude plus grande augmente le volume ; 10 (P) les sommets du tracé deviennent plus hauts (amplitude) tandis que le nombre de cycles par seconde (fréquence) reste constant.