Les ondes (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« RtvuatRATION Dans un espace clos, un son se propage depuis sa source dans toutes les directions.

A chaque fois qu'il rencontre un obstacle, il est réfléchi.

Ce phénomène se produit dans la nature (l'écho en est une illustration majeure ), mais également dans des lieux créés par l'homme (par exemple, une salle de concert).

La première réflexion est appelée " réverbération primaire ».

Perçue par le cerveau peu après le son original , elle donne une indication sur la grandeur du lieu.

Les sons qui se sont réfléchis plus d'une fois avant de parvenir à l'oreille sont appelés « réverbérations secondaires » ; elles forment ce que les musiciens appellent la " réverb ».

Les réverbérations secondaires sont liées à la complexité et au type de d'espace dans lequel se propage le son.

La réverbération d 'un son enregistré peut être simulée électroniquement.

En ajoutant de la réverbération à un morceau de musique enregistré en studio (dont les murs réfléchissent peu les ondes), il est possible de produire un son comparable à celui qui aurait été perçu dans une grande salle de concert .

La réflexion d'un son contre un obstacle est d'autant plus forte que la surface est dure et lisse et la réverbération est d'autant plus grande que l'espace clos est volumineux .

La réverbération importante des églises est liée à ces deux phénomènes .

LES ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES Ces ondes, dont la lumière visible fait partie , n'ont pas besoin de substrat matériel comme les ondes sonores pour se propager .

Elles traversent donc le vide à la vitesse de 299 792 km/s (que l'on arrondit souvent à 300 000 km/s).

NATURE DE LA LUMIÈRE La nature de la lumière a fait couler beaucoup d'encre au cours de l'histoire.

Au XVII' siècle, Isaac Newton, qui a décomposé la lumière blanche en d ifférentes couleurs , penchait plutôt pour une nature corpu sculaire .

Son rival de l'époque, Robert Hooke , était parti san d 'une nature ondulatoire, comparable à celle des vibrations sonores .

Compte tenu de l'influence de son auteur, la théorie de Newton sera la plus communément admise .

Elle sera remise en cause un siècle plus tard et la théorie ondulatoire reprendra le dessus avec la mise en évidence des phénomènes de diffraction et d'interférence par Fresnel.

La nature électro­magnétique des ondes lumineuses sera découverte par lames Oel'k Maxwell (1831-1879 ) qui, en 1865, fait une synthèse entre phénomènes électriques et magnétique s.

A la différence des ondes sonores, l'onde électromagnétique est donc une onde tran sversale car certaines de ses composantes vibrent perpendiculairement au sens de 1--------------1 déplacement de l'onde .

Maxwell suppose également que les ondes électromagnétiques s'étendent dans le domaine de l'invisible.

En 1888, Heinrich Hertz produit un rayonnement électromagnétique invisible d'une longueu r d'onde un million de fois plus grande que celle de la lumière.

ACOUmQUE ET AUDITORIUM Pour offrir la meilleure qualité d'écoute possible aux auditeurs, les grandes salles de concert bénéficient d'une architecture intérieure particulièrement étudiée.

!:objectif est de réfléchir les ondes sonores.

sans qu'elles perdent trop de puissance (sinon la musique serait inaudible dès le deuxième rang) ou qu'elles produisent une réverbération trop forte, tout en limitant les effets d'interférence et de distorsion .

Si une salle a une résonance trop forte , les sons se mélangent et deviennent indistincts.

Si la résonance est trop faible, les sons auront du mal à être correctement perçus par tous les auditeurs.

OCUIJ>U~IUt:>, les con•:ept,eurs de .....

isall'es de concert (ici celle de la cité de hl musique, à La Villette) disposent à des endroits stratégiques les matériaux réfléchissants (pierre, métal.

..

) et absorbants (moquette, liège, laine minérale , fibre de bois, feutre ...

).Ils doivent aussi prendre en compte le fait qu'une salle peut avoir un public plus ou moins nombreux et que ce taux de remplissage a une incidence importante sur l'acoustique.

En elfe~ les spectateurs absorbent les fréquences aiguës et réfléchissent les graves.

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) montre, par ses expériences sur l'effet photoélectrique, que la lumi ère a toutefois également une nature corpusculaire .

La nature des ondes électromagnétiques est donc double : corpu sculaire (pho ton) et ondulatoire (vibra tions des champs électr ique et magnétique associés) .

SPECTRE DES ONDES tlECTROMACNtTIQUES petite longueur d 'onde haute fréquence phoiOns de haute énergie S~J~~Ineux - 0,001 nm - 0 ,01 nm -x 0,1 nm lnm - 10nm 100nm 1000nm ..._ 10000nm - 0 ,1 rrrn ·~ - 700""' '"" -- 10cm 1m 1Dm IOOm grande longueur d'onde pho::S~.~uenceénerg le Ces ondes sont caractérisées par leur fréquence et forment l'ensemble du spectre électromagnétique.

Leur s propriétés et leur utilisation changent en fonction de cette fréquence et c'est pourquoi les physic iens les ont classées en plusieurs catégories.

Plus la longueur d 'onde d'une radiation est courte, et donc sa fréquence élevée, plus elle est énergétique .

Les ondes radio, ou hertziennes Elles ont une fréquence compri se entre 10kHz et 300 MHz (soit une longueur d'onde de 30 km à 1 rn).

Elles portent ce nom car elles sont utilisée s pour transmettre diver s types de signaux radio .

Elles sont classées selon leur fréquence: les très basses fréquences , de 10 kHz à 30 kHz (soit 30 km à 10 km) ; les basses fréquences ou grandes ondes, de 30 kHz à 300 kHz (soit 10 km à 1 km, gamme GO) ; les ondes moyennes, de 300 kHz à 3 MHz (soit 1 km à 100 rn, gamme PO, utilisée pour la radio AM et les balises) ; les ondes courtes , de 3 MHz à 300 MHz (soit 100 rn à 1 rn, gam me OC : télévi sion et radio FM) .

Les micro-ondes Leur domaine s'étend de 300 MHz à 300 GHz (soit une longueur d'onde de 1 rn à 1 mm ).

Elles sont utilisées dans les fours à micro-ondes pour réchauffer les aliments.

Ces ondes électromagnétiques sont peu énergétiques mais tirent leur efficacité d'un phénomène de résonance .

En effet , les molécules d'eau possèdent une fréquence propre qui correspond à celle délivrée dans les four s à micro -ondes.

Lorsqu 'elles sont touchées par le rayonnement elles entrent en résonance , et leur mouvement propre est accé léré.

Cette agitation moléculaire se transforme en chaleur et la température de l'eau contenue dans les aliments augmente .

Les micro-ondes de 300 MHz à 3 GHz sont également utilisées pour la télévision , la radio mobile , les téléphones cellulaires ainsi que les satellites .

Celles de 3 GHz à 30 GHz sont destinées aux satellites et aux radars .

La bande de fréquence comprise entre 30 GHz et 300 GHz n'est guère utilisée car la technologie à mettre en œuvre pour l'exploiter est extrêmement coûteuse .

L'infrarouge Il occupe les longueurs d 'onde comprises entre 0,1 mm et 0,8 micromètres (le micromètre, ou micron , étant égal à 10• mètre , soit un millionième de mètre) .

On distingue plusieurs types d 'infrarouge : l'infrarouge lointain (0,1 millimètre à 14 micromètres), l'infrarouge moyen (14 à 1,1 micromètre) et le proche infrarouge ( 1,1 à 0 ,8 micromètre ).

Les infrarouges sont produits par des sources de chaleur (braises , corps humain ..

.

) .

Diverses applications sont basées sur l'utilisation de cette bande du spectre : ampoules émettant de l'infrarouge pour réchauffer les plats au restaurant ou sécher les cheveux chez le coiffeur, pellicules pour appareils photographiques .

Dans le domaine militaire , on a créé des lunettes de visée et des caméras thermiques pour repérer les sources de chaleur dans un environnement nocturne.

La lumière visible Elle s'étale entre 0,8 et 0.4 micromètre .

Sa nature est la même que celle de toutes les autres ondes électromagnétiques.

Elle est "visi ble » uniquement parce que nous disposons de capteurs (les yeux) et d 'un centre d'analyse (le cerveau) capables de construire une image virtuelle de la répartition de ce rayonnement dans notre environnement.

Le spectre visible est décomposé en 6 ou 7 couleurs, dites " de l'arc-en-ciel » (rouge, orangé , jaune, vert, bleu , indigo , violet) , mais il ne s 'agit là que d 'une décomposition arbitraire : le spectre visible comporte une infinité de nuances.

Les ultraviolets Ils sont compris entre 0.4 micromètre et 10 nanomètres environ (un nanomètre égale un milliardi ème de mètre, soit 10•) .

Là encore, on distingue plusieurs catégories: les UVA (400 nm à 320 nm) qui sont responsables du bronza ge, les UVB (320 à 290 nm) en partie responsables des coups de soleil , et les UVC (290 nm à 10 nm) qui sont arrêtés par la couche d'ozone atmosphérique.

Tous peuvent provoquer des cancers de la peau en cas d'exposition prolongée .

Les rayons X D ' une longueur d'onde de 10 à 0,001 nanomètre , ils ont été découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Conrad Rtint gen.

Aussitô~ ces rayons ont largement été utilisés , en radiographie médic11/e mais aussi pour des raisons moins sérieuses : dans les fêtes foraine s pour montrer le phénomène de fluorescence, dans les magasins pour vérifier l'adaptation d'une chaussure au pied du client.. .

Ces excès n'ont pas été sans produir e nombre d 'incidents (développement de cancers) car à l'époque on ignorait tout de leur nocivité.

D e nos jours, les quantités de rayons administrées et la fréquence des examens radiologiques ont été revues à la baisse .

En médecine , les rayons X sont utilisés pour les scanners ou la scintigraphie, mais il existe d'autres domaines d'utilis a tion : contrôle de l'intérieur des bagages à la douane , analyse de matériaux ou de substances chimiques , étude de cristaux par diffract io n.

Les rayons gamma Extrêm ement énergétiques (longueur d 'onde de 0,001 à 0,0001 nanomètre ) et très dangereux pour les êtres vivants, ils sont émis au cours de la désintégration de noyaux radioactifs et de certaines réactions nucléaires .

Fort heureu sement , les rayons gamma de l'espace sont arrêtés par l'atmosphère .

Ils sont utilisés dans la recherche , mais égalem ent dans l'industrie agroalimentaire pour la stérilisation des denrées.

Les rayons cosmiques Ils ont une fréquence inférieure à 0,0001 nm.

Venus de l'espace , ils formen t le rayonnement le plus énergétique que l'on connaisse.

LA LUMIÈRE DU LASER Le /aser (acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est une sorte d'amplificateur de lumière faisant appel à une propriété particulière des atomes: l'émission stimulée.

Il a été mis au point en 1960, mais son principe a été décrit par Albert Einstein dès 1916.11 émet des ondes lumineuses intenses , de même fréquence , cohérentes (en phase) et unidirectionnelles, contrairement à celles produites par une ampoule électrique, qui sont une superposition de diverses ondes lumineuses mutlidirectionnelles.

Cette lumière est obtenue de la manière suivante .

Un gaz (hélium, néon, C02 •..

) ou un solide (rubis, néodyme ...

) est placé dans la cavité d'une enceinte, fermée d'un côté par un miroir réfléchissant et de l'autre par un miro ir semi-réfléchissant.

Un courant électrique active les atomes qui en retombant à un niveau énergétique plus faible émettent des photons d'une fréquence caractér istique de l'élément choisi .

Ces photons sont réfléchis par les miroirs et reviennent exciter les atomes qui produisent alors de nouveaux photons ayant les mêmes caractéristiques (principe de l'émission stimulée).

Au fil des réflexions successives, un intense rayonnement électromagnétique est généré qui s'échappe en partie par le miroir partiellement réfléchissant.. »