Qu'est-ce qu'une onde en physique ?

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

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

Ce phénomène se produit dans la nature O'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 musiàens 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 réve rbération est d'autant plus grande que l'espace dos 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 kmfs (que l'on arrondit souvent à 300 000 kmfs) .

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

Au XVlr siède , Isaac Newton , qui a décomposé la lumière blanche en différentes couleurs, penchait plutôt pour une nature corpusculaire.

Son rival de l'époque , Robert Hooke , était partisan 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 eri 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 électri>­magnélique des ondes lumineuses sera découverte par"'­Cletfr MllJlrrell (1831-1879) qui, en 1865 , fait une synthèse entre phénomènes électriques et magnétiques .

A la différence des ondes sonores, l'onde électromagnétique est donc une onde transversale car certaines de ses composantes vibrent perpendiculairement au sens de i-------------4 déplacement de l'onde .

Maxwell suppose également que les ondes ACOUSTIQUE ET AUDITORIUM Pour offrir la meilleure qualité d'écoute possible aux auditeurs, les grandes salles de concert bénéficient d'une architecture intérieure particulièrement étudiée.

L'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'mterférence et de distorsion.

Si une salle a une résonance trop forte.

les sons se mélangent et deviennent indistinds.

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

Pour contrôler les paramètres acoustiques , les concepteurs de salles de concert (Ki ceUe de la dN.,.

_,._, à La Vilet!e) disposent à des endroits slratégiques les matériaux réftéchissanls (pielTe.

métal ..

.

) et absolbanls (moquttte.

liège, laine minérale, fibre de bois.

feulre .•• ).

Rs doivent aussi prendre en compte le fait qu'une sale peut avoir OO public plus OU moins nombreux et que ce taux de remplissage a une incidence importante sur l'acoustique.

En effet, les spectateurs absorbent les fréquences aiguês et réfléchissent les graves.

électromagnétiques s'étendent dans le domaine de l'invisible.

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

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

La nature des ondes électromagnétiques est donc double : corpusculaire (photon) et ondulatoire (vibrations des champs électrique et magnétique associés) .

5PECDE DES ONDES hlalollAGllmQuu ~- -...,..,, -- -· - -...

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10000rm o.•- ·-·-10aw ...

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~ longllewd'onde ~'=-*-Ille Ces ondes sont caractérisées par leur fréquence et forment l'ensemble du spectre électromagnétique .

Leurs propriétés et leur utilisation changent en fonction de cette fréquence et c 'est pourquoi les physiàens les ont dassées en plusieurs catégories.

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

Les HCles nllo, DU llerb: le 1111es Elles ont une fréquence comprise entre 10 kHz et 300 MHz (soit une longueur d'onde de 30 km à 1 m).

Elles portent ce nom car elles sont utilisées pour transmettre divers types de signaux radio.

Elles sont dassées 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 m, gamme PO, utilisée pour la radio AM et les balises) ; les ondes courtes, de 3 MHz à 300 MHz (soit 100 m à 1 m, gamme OC : télévision et radio FM).

Leur domaine s'étend de 300 MHz à 300 GHz (soit une longueur d'onde de 1 m à 1 mm).

Elles sont utilisées dans les fNts j -1crtHJlllles 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 fours à micro-ondes.

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

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 cellula ires 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'lllfrarouge Il occupe les longueurs d 'onde comprises entre O, l mm et 0,8 micromètres Oe 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 m icromètre) .

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 .

u lumiire visillle 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 • visible • uniquement parce que nous disposons de capteurs Oes yeux) et d'un centre d'analyse Oe 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'.n-elHle/ • (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 milliardième de mètre , soit 10"').

Là encore, on distingue plusieurs catégories : les UVA (400 nm à 320 nm) qui sont responsables du bronzage, les UVB (320 à 290 nm) en partie responsables des coups de sole il, 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 npllSX D'une longueur d'onde de 10 à 0,001 nanomètre, ils ont été découverts en 1895 par le physiàen allemand Wilhelm Conrad Rôntgen.

Aussitôt, ces rayons ont largement été utilisés, en ,...,,..,,,.

,.._mais aussi pour des raisons moins sérieuses : dans les fêtes foraines pour montrer le phénomène de fluorescence , dans les magasins pour vérifier l'adaptation d'une chaussure au pied du dient ..

.

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

De 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'utilisation : contrôle de l'intérieur des bagages à la douane, analyse de matériaux ou de substances chimiques, étude de cristaux par diffraction .

Les nyens ,__ Extrêmement énergétiques Oongueur 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 heureusement, les rayons gamma de l'espace sont arrêtés par l'atmosphère .

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

les l'IJ- alSllliqHS Ils ont une fréquence inférieure à 0 , 0001 nm.

Venus de l'espace , ils forment le rayonnement le plus énergétique que l'on connaisse .

LA LUMllRE DU LASER Le ltlser(aaonyme 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 supeiposition de diverses ondes lumineuses mutlidirectionnelles.

Cette lumière est obtenue de la manière suivante.

Un gaz (hélium, néon, CCJi ...

) ou un solide (rubis, néodyme ..• ) est placé dans la cavité d'une enceinte, fermée d'un cOté par un miroir réftéchissant et de l'autre par un miroir semi-réftéchissant Un courant électrique active les atomes qui en retombant à un niveau énergétique plus faible émettent des photons d'une fréquence caractéristique de l'élément choisi.

Ces photons sont réfléchis par les miroirs et reviennent exciter les atomes qui produisent alors de nouveaux photons ayant les ~ 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 réftéchissant. »