Les ondes et le son
Ce qu'est une onde, les liens entre longueur d'onde, fréquence et célérité, la propagation du son, la superposition des ondes, pourquoi les cordes et les tuyaux résonnent à certaines notes, et le spectre électromagnétique. Dans le laboratoire des ondes, tu observes cordes, ressorts, son dans un tube, cuves à ondes et ondes stationnaires, calculés avec les mêmes formules que dans les unités.
À propos de ce cours
Une onde transporte de l'énergie sans emporter la matière avec elle. Sur une corde, un morceau monte et descend pendant que l'onde part vers la droite, perpendiculairement à ce mouvement. Dans un ressort, les spires bougent dans le sens de propagation et se regroupent en compressions. Le cours part de cette image pour construire les notions de longueur d'onde, de fréquence et de vitesse, reliées par v = fλ. Dans le laboratoire d'ondes, une corde de 6 m porte une onde : si tu doubles f, la longueur d'onde doit être divisée par deux pour garder la même vitesse.
Les six unités présentent ce qu'est une onde ; la longueur d'onde, la fréquence et la vitesse ; le son ; les interférences et la diffraction ; les ondes stationnaires et les instruments de musique ; puis le spectre électromagnétique. Le son se propage plus vite dans les liquides et les solides que dans l'air, car ils sont beaucoup plus difficiles à comprimer. Si tu frappes des mains devant une falaise et entends l'écho 2.0 s plus tard, avec un son à 343 m/s, tu peux calculer sa distance. Les casques à réduction de bruit écoutent le bruit entrant et diffusent une onde dont les crêtes et les creux sont inversés. OpenStax 27.3 indique que l'expérience des deux fentes de Young, en 1801, conduisit à l'acceptation de la nature ondulatoire de la lumière. Le laboratoire dessine des cordes, des ressorts, du son dans un tube, des cuves à ondes et des ondes stationnaires avec les mêmes formules que les leçons.
La dernière unité chiffre le spectre. Un four à micro-ondes fonctionne à 2.45 GHz : ses ondes mesurent donc environ 12 cm, tandis que la lumière laser rouge à 633 nm est environ 190 000 fois plus courte. Une fréquence plus élevée signifie plus d’énergie par photon, mais la pénétration dépend du matériau et de la longueur d’onde. Les rayons X peuvent traverser les tissus mous, tandis que les UV absorbés par la peau peuvent l’endommager.
Avant de commencer
Presque tout ce cours revient à une même relation : la vitesse est égale à la fréquence multipliée par la longueur d’onde. Si tu sais isoler une variable dans une formule simple, comme on le pratique dans Équations du premier degré, tu es prêt. La dernière unité utilise des puissances de dix pour les ondes radio et lumineuses ; la notation scientifique mérite donc une révision rapide.
À la fin du cours
Tu sauras trouver l’amplitude, la période et la vitesse d’une onde à partir d’un schéma, estimer à quelle distance la foudre est tombée d’après le délai avant le tonnerre et expliquer pourquoi les astronautes ne peuvent pas entendre un cri dans l’espace. Tu prévoiras aussi ce qui se passe quand une crête rencontre un creux, calculeras la longueur d’onde d’un signal FM de 100 MHz et diras pourquoi un tuyau ou une corde résonne sur des notes précises.
- 1Qu'est-ce qu'une onde ?Loin du rivage, une mouette monte et descend au passage de chaque vague, sans pour autant avancer avec elle.
- 2Longueur d'onde, fréquence et céléritéDes crêtes espacées de 10 m qui soulèvent une mouette toutes les 5 s se déplacent à 2 m/s.
- 3Le sonLe son parcourt environ 343 mètres par seconde dans l’air à 20 °C. Si le tonnerre arrive 3 secondes après l’éclair, la foudre est donc tombée à environ 1 km.
- 4Interférences et diffractionUn casque à réduction de bruit produit un second son exactement opposé au bruit ; leur somme donne un quasi-silence.
- 5Ondes stationnaires et instruments de musiqueUn tube fermé à une extrémité, long de 67.2 cm, émet un son de 128 Hz à 22 °C, légèrement plus grave que le do sous le do central (130.8 Hz).
- 6Le spectre électromagnétiqueUn four à micro-ondes fonctionne à 2.45 GHz : ses ondes mesurent environ 12 cm. La lumière d’un laser rouge est à 633 nm, soit environ 190 000 fois plus courte.
Sources de ce cours (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
Consulté le: 2026-10-17