Ondes : transport d'énergie et d'information
Les ondes transportent l'énergie d'une source vers un récepteur sans déplacer la matière — lumière vers un œil, son vers une oreille, radio vers un téléphone. Ce chapitre introduit le modèle ondulatoire (fréquence, longueur d'onde, vitesse), puis l'applique au spectre électromagnétique complet, aux ondes sonores et aux ultrasons (P), ainsi qu'à la réflexion, la réfraction avec réflexion totale interne, et les lentilles et l'œil (P).
OxfordAQA International GCSE Physique 9203, thème 3.3 (Version 5.1). Les énoncés marqués (P) concernent uniquement le Paper-2-.
Propriétés générales des ondes
Transversale : oscillations perpendiculaires à la propagation — ondes électromagnétiques et ondes à la surface de l'eau. Longitudinale : oscillations parallèles, sous forme de compressions et raréfactions — son ; les ondes mécaniques peuvent être soit transversales, soit longitudinales. À une interface, les ondes sont réfléchies, transmises ou absorbées ; la réfraction provient d'un changement de vitesse entre deux milieux, et la diffraction étale les ondes à travers une ouverture — fortement lorsque l'ouverture est comparable à la longueur d'onde.
L'amplitude, la longueur d'onde, la fréquence, la période et le front d'onde définissent toute onde, et :
Vérification résolue. Une onde aquatique de fréquence 2 Hz et de longueur d'onde 1.5 m se déplace à $2 \times 1.5 = 3$ m/s.
Le spectre électromagnétique
Une famille continue, toutes transversales, se propageant à la même vitesse dans le vide, classées des ondes radio (10⁴ m et au-delà) aux rayons gamma (10⁻¹⁵ m). La lumière visible est la bande étroite détectée par nos yeux — différentes longueurs d'onde correspondent à différentes couleurs. Tout objet émet et absorbe l'infrarouge ; (P) les objets plus chauds rayonnent davantage et à des fréquences plus élevées (rayonnement du corps noir) ; les surfaces sombres et mates absorbent et émettent le mieux, tandis que les surfaces claires et brillantes réfléchissent.
Utilisations : radio — télévision et radio y compris Bluetooth ; micro-ondes — téléphones, télévision satellitaire ; infrarouge — commandes à distance, vision nocturne, chauffage ; visible — photographie, fibres optiques ; ultraviolet — marquage de sécurité ; rayons X — imagerie médicale ; gamma — stérilisation des instruments et des aliments. Risques : les micro-ondes chauffent les tissus ; l'infrarouge provoque des brûlures ; les UV causent le cancer de la peau et la cécité ; les rayons X détruisent les cellules à fortes doses ; les rayons gamma provoquent des mutations — limiter le temps d'exposition et la distance, et utiliser des protections.
Rayons X : très courte longueur d'onde, haute énergie, ionisants ; ils affectent le film photographique, sont absorbés par le métal et les os, et transmis par les tissus mous — fondement de la tomodensitométrie, de l'imagerie des fractures et dentaire, ainsi que du traitement du cancer (avec surveillance rigoureuse des doses reçues par le personnel).
Son et ultrasons
Le son est longitudinal, il fait vibrer un milieu, entendu entre 20 Hz et 20 000 Hz ; le pitch suit la fréquence, le volume suit l'amplitude. Le son se reflète (échos) et se diffracte. (P) Les ultrasons sont situés au-dessus de 20 kHz : à une interface entre milieux, ils se reflètent partiellement, et le temps de l'écho localise l'interface :
Vérification résolue. Une impulsion ultrasonore revient d'une interface fœtale après $6.0 \times 10^{-5}$ s (vitesse 1500 m/s dans les tissus) : profondeur de l'interface $= 1500 \times 6.0\times10^{-5}/2 = 4.5$ cm — diviser par deux pour le trajet aller-retour. Utilisations : échographie prénatale, lithotripsie (fragmentation des calculs rénaux).
Réflexion et réfraction
Loi de réflexion : angle d'incidence = angle de réflexion, mesuré par rapport à la normale. Un miroir plan donne une image virtuelle, droite et inversée latéralement ; tracer les diagrammes de rayons en utilisant la normale. (P) La lumière entrant dans un milieu plus dense ralentit et se courbe vers la normale ; dans un milieu moins dense, elle s'en éloigne ; un prisme disperser la lumière blanche en spectre. L'indice de réfraction compare les vitesses :
Au-delà de l'angle critique dans le milieu plus dense, la lumière subit une réflexion totale interne — principe selon lequel les fibres optiques transportent la lumière visible et l'infrarouge pour la médecine (endoscopes) et les communications. Expérience requise : réfraction de la lumière par différents matériaux.
Lentilles et œil (P)
Une lentille convexe (convergente) concentre les rayons parallèles vers le foyer principal (distance focale depuis la lentille) ; une lentille concave (divergente) les disperse comme s'ils provenaient du foyer. Les images sont décrites comme plus grandes/plus petites, droites/inversées, réelles/virtuelles — les diagrammes de rayons sur papier millimétré les illustrent, et grossissement = hauteur de l'image ÷ hauteur de l'objet. Une lentille convergente tenue près agit comme une loupe (image virtuelle, droite, agrandie).
L'œil : rétine (détecteur), cornée (réfraction principale), cristallin variable (variable-focus lens), pupille/iris (ouverture), muscle ciliaire et ligaments suspensoriens (changement de forme du cristallin). Point de near point ≈ 25 cm ; point lointain à l'infini. Hypermétropie (globule oculaire trop court) corrigée par une lentille convexe ; myopie (trop long) par une lentille concave ; les lasers peuvent redessiner la cornée en chirurgie. Comparé à un appareil photo : l'œil met au point en changeant la forme du cristallin, l'appareil en modifiant la distance lentille-film ; la rétine joue le rôle du capteur CCD.
Vérifiez-vous
- Donner les directions d'oscillation des ondes transversales et longitudinales, avec un exemple pour chacune.
- Énoncer v = fλ et calculer la vitesse d'une onde de 500 Hz de longueur d'onde 0.68 m.
- Quand la diffraction est-elle la plus forte à travers une ouverture ?
- Classer le spectre électromagnétique par fréquence croissante.
- Quelles surfaces absorbent le mieux l'infrarouge ?
- Énoncer la plage de fréquences de l'audition humaine.
- (P) Un écho ultrasonore revient en 0.0001 s depuis une profondeur de 15 cm. Quelle est la vitesse ?
- Énoncer la loi de la réflexion et la nature de l'image formée par un miroir plan.
- (P) Le verre a n = 1.5. Calculer l'angle critique.
- (P) Quel type de lentille corrige la myopie, et pourquoi ?
Réponses : 1 perpendiculaire — lumière ; parallèles, compressions — son ; 2 $v = 500 \times 0.68 = 340$ m/s ; 3 écart ≈ une longueur d'onde ; 4 radio → micro-ondes → IR → visible → UV → rayons X → gamma ; 5 sombre, mat ; 6 20 Hz–20 kHz ; 7 (P) $v = 0.3/10^{-4} = 3000$ m/s (aller-retour).
Réponses continues : 8 i = r ; virtuelle, droite, inversée latéralement ; 9 (P) $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$ ; 10 (P) une lentille convergente — elle diverge la lumière pour que l'œil trop long la focalise sur la rétine.