Première CD - Phénomène vibratoire et propagation

Définition d'une onde*

Définition d'une onde

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Les Ondes

Vous avez déjà jeté un caillou dans l'eau, j'imagine. Vous perturbez à ce moment là la surface, qui était plane, en faisant apparaître des vagues. Ces vagues ne restent pas sur place, elles n'existent qu'en mouvement. Toutes, elles s'écartent en cercles concentriques de l'endroit d'où vous avez jeté un caillou. Vous venez de voir un premier exemple d'onde, et cela va nous permettre d'en donner une première définition : une onde est une perturbation qui se déplace. Dans le cas que nous venons d'évoquer, c'est une perturbation de la surface de l'eau. Mais il n'y a pas que là que l'on rencontre des ondes.
Les mouvements qui agitent une corde tendue sont également des ondes : si vous donnez à une extrémité de la corde un mouvement brusque, vous allez voir une déformation de la corde (la perturbation), se déplacer jusqu'à l'autre bout. On a là encore une perturbation qui se déplace, ce qu'on appelle une onde. Mais cet exemple nous permet aussi de mettre en évidence que la matière dans laquelle l'onde se propage ne bouge pas, elle. La perturbation que vous avez crée s'est déplacée, mais la corde n' a pas bougé. Après votre brusque mouvement, votre main a retrouvé sa place. De même, si vous imaginez un bouchon flottant sur l'eau, si une petite vague passe, elle soulève le bouchon, puis le repose, mais en aucun cas, le bouchon n'a été emporté par la vague ! Il est resté sur place.
Une onde n'est pas accompagnée de déplacement de matière. C'est finalement juste de l'énergie qui circule : en effet, il faut de l'énergie pour soulever le bouchon, et de même, il faut de l'énergie pour créer une impulsion sur une corde. La vague contient donc de l'énergie. Mais elle n'est pas accompagnée d'un déplacement d'eau.
Les ondes jouent de ce fait un grand rôle pour nos sens, car l'énergie qu'elle transporte, c'est aussi de l'information pour nous. Nos yeux et nos oreilles sont là pour capter ce que la lumière ou le son, qui sont des ondes, nous transmettent - sans avoir besoin que de la matière soit déplacée.

 

Le Son

Le son est une onde dite "de compression". Dans de l'air immobile, la pression est la même partout, et l'air a partout la même densité. Par contre, un son est une perturbation de la pression de l'air. Lorsqu'un son traverse l'air, on peut observer des zones où la pression de l'air est plus importante que lorsqu'il n'y a pas de son. Dans ces zones, l'air est plus comprimé. On observe aussi des zones où l'air est plus dilaté, dans des zones de dépression. Ces perturbations de la pression de l'air se déplacent : c'est l'onde sonore.
Un petit oiseau chante : il emet des ondes sonores. Si on pouvait les voir, on verrait une alternance de zones compressées matérialisées par des traits continus, et des zones où l'air est dilaté, matérialisées par des traits pointillés - exactement comme à la surface de l'eau on trouve une succession de creux et de bosses.
Ces perturbations se déplacent sans se déformer (c'est à dire qu'un "bonjour" ne se transforme pas en "choucroute" quelques mètres plus loin) à la vitesse d'environ par seconde. C'est rapide, puisque cela fait à peu près par heure, mais on peut constater sans problème que le son ne se transmet pas instantanément. Par exemple, sur un terrain de foot, on voit, si on est loin, le joueur frapper violemment dans le ballon avant d'entendre le choc. Quand on regarde un feu d'artifice, en général, l'image arrive avant le son. Quand vous voyez un éclair, vous pouvez connaître la distance à laquelle il est tombé en comptant le nombre de secondes qui s'est écoulé entre l'éclair et le tonnerre. Toutes les trois secondes, le son parcourt un kilomètre, donc vous pouvez savoir à quelle distance l'éclair est tombé !
De façon générale, le son est produit par la vibration d'un objet. C'est ainsi que le haut-parleur produit du son : un haut-parleur n'est rien d'autre qu'une membrane qui vibre. Le son transporte cette vibration : il est capable de faire vibrer tout ce qu'il rencontre. On le sent bien lorsqu'on se place près d'une forte source de musique. Nos oreilles sont spécialisées dans la réception de ces vibrations, donc du son. Elles ne nous font pas nécessairement sentir qu'il s'agit d'une vibration : en fait, la vibration est trop rapide pour que nous le sentions.
Vous pouvez vérifier simplement que par contre le son n'est pas un déplacement d'air : vous ne sentez qu'une vibration, devant un haut-parleur, pas un souffle. Vous pouvez même placer une bougie, elle ne sera pas soufflée, vous pourrez peut-être même la voir danser !
Si un son vous paraît plus aigu qu'un autre, c'est parce que la vibration de l'air est plus rapide. C'est ce qu'on appelle la fréquence d'un son.
La lumière est une onde électromagnétique. Je vais éclairer un peu plus votre lanterne à ce propos (ha ha !)...
Nous baignons en permanence dans un champ électromagnétique, crée par la présence de particules chargées (une particule chargée crée un champ électrique et nous sommes constitués de particules chargées, comme les électrons ou les protons), et par leur déplacement (le courant électrique crée un champ magnétique, comme celui de la terre par exemple, qui oriente les boussoles). Si on crée une petite perturbation de ce champ, par exemple en faisant vibrer des particules chargées, elle se propage : elle ne reste pas sur place, elle se déplace. Perturber le champ électromagnétique, c'est comme créer des vagues à la surface de l'eau en y jetant un caillou. On crée une petite perturbation qui se propage, c'est à dire des ondes.
Eh bien la lumière est justement une onde électromagnétique. La lumière est une perturbation du champ électromagnétique qui se déplace. Cela lui donne la propriété de pouvoir se déplacer dans le vide, parce que même dans le vide, il y a un champ électromagnétique. Ce n'est pas le cas des autres ondes, qui ont besoin d'un support matériel : le son se déplace dans l'air, les vagues à la surface de l'eau, ou sur une corde. Les perturbations du champ électromagnétique, dont la lumière, se déplacent à une très très grande vitesse : par seconde dans le vide ou dans l'air ! En une seconde, la lumière a le temps de faire plus de 7 fois le tour de la terre. Elle met cependant 8 minutes pour faire le trajet soleil-terre.
La lumière interagit beaucoup avec la matière : elle peut être absorbée, réfléchie, déviée ou émise par la matière. Un corps qui paraît noir même quand on l'éclaire absorbe toute la lumière qui lui parvient, il n'en émet aucune, donc il paraît noir. Un miroir réfléchit la lumière : il renvoie votre propre image. Un morceau de verre peut faire dévier la lumière - il fait même parfois apparaître un "arc-en-ciel". Enfin, le filament d'une ampoule émet de la lumière lorsque le courant électrique le traverse.
La lumière visible peut interagir avec les atomes, et plus particulièrement les électrons des atomes ou des molécules. Elle peut leur communiquer de l'énergie, lorsqu'elle arrive sur un atome. Et les atomes peuvent se débarrasser d'un trop plein d'énergie en émettant de la lumière. C'est ce qui explique le fonctionnement des lasers ou encore la fluorescence, la couleur des objets...
Un objet chaud émet aussi de la lumière : en effet ses particules sont agitées et ce mouvement incessant crée des perturbations du champ électromagnétique. Donc de la lumière. Si on ne la voit pas c'est que c'est souvent de l'infrarouge. Mais il est important de savoir que tout objet chaud crée de la lumière.
La lumière n'est de plus qu'une espèce d'onde électromagnétique. Il en existe plein d'autres, et vous les connaissez, mais vous ne savez pas qu'elles sont aussi une perturbation du champ électromagnétique, c'est à dire une sorte de lumière : ce sont les rayons X, les ondes radio, les rayons Gamma.
Pour finir, il faut savoir que la lumière n'est pas seulement une onde. En fait, elle est composée de particules appelées photons. Chaque photon a une couleur précise. Et chaque photon est un peu plus qu'une particule, puisqu'il se comporte comme une onde. Donc un "troupeau" de photon se comporte comme une onde. Donc la lumière présente toutes les propriétés d'une onde, et notamment les propriétés d'interférence et de diffraction, bien qu'elle soit composée de "particules" - on appelle ça des quanta de lumière.
 
Last modified: Thursday, 18 August 2016, 10:48 AM
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