Sciences BMA Ébénisterie 1/5 Ch. 13.

13. Ondes électromagnétiques Résumé Exercices

Objectifs : • Qu'est-ce qu'une onde ? • Condition de propagation d'une onde • Fréquence, célérité et longueur d'onde • L'onde électromagnétique et le photon • Spectre electromagnétique

1. Qu'est-ce qu'une onde? Rappel propagation ou Rappel DébutBeaucoup de phénomènes physiques se transmettent sous la forme d'ondes.Les ondes mécaniques : vibrations mécaniques, ondes sonores, vagues à la surface de l'eau, ondes sismiques etc. où se propage un état de tension, de vitesse et de pression...Les ondes électromagnétiques : lumière, ondes radio, infrarouge, ultraviolet, rayon X, rayon gamma, où se propage un état de champs électrique et magnétique...Les ondes de spin où se propage un état d'orientation d'atomes etc.RemarqueLors de la propagation d'une onde d'un point vers un autre, il n'y a pas de transport de matière (les vagues ne font pas avancer le bateau). L'onde ne transporte que de l'énergie; un point atteint par une onde reproduit l'état de la source avec une amplitude moindre et un retard du à la durée nécessaire à l'onde pour parcourir la distance qui le sépare de la source. Ainsi, sur l'animation ci-dessous, le point M effectue le même mouvement que la source S

2. Condition de propagation d'une onde DébutPour qu'une onde se propage il faut:● que le milieu environnant la source permette la propagation de l'onde. Par exemple, les

ondes sonores ne se propagent pas dans le vide, les ondes lumineuses ne se propagent pas dans les substances opaques, les rayons X se propagent dans les tissus biologiques mous mais pas dans les os.

● que la source soit dans un état vibratoire: corde vibrante d'un instrument de musique, vibration des électrons dans une antenne, etc.

On parle d'onde longitudinale, lorsque le phénomène physique se passe dans la même direction que la direction de propagation, comme des ondes de compression dans un ressort, ou la compression de l'air lors du passage d'une onde sonore.Une fine tranche d'air effectue au passage de l'onde des mouvements d'aller et retour dans la direction de propagation de l'onde sonore

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Dans le cas ou le phénomène est perpendiculaire à la direction de propagation, l'onde est transversale; c'est le cas du champ électrique et du champ magnétique de l'onde électromagnétique, du déplacement des points d'une corde.Il est des cas plus complexes: l'eau des vagues effectue de petits cercles.

3. Fréquence, célérité et longueur d'onde DébutLa fréquence N mesure le nombre de vibrations par seconde de la source; en général, un point atteint par l'onde vibrera avec la même fréquence que la source. La fréquence se mesure en hertz. (1Hz = 1 vibration par seconde).On appelle période T la durée (mesurée en secondes) d'une vibration entière.

Si une source vibre avec la fréquence N sa période sera T= 1N

Par exemple, les ondes sonores audibles sont émises par des sources vibrant mécaniquement entre 50 et 15 000 Hz. Les ondes lumineuses (électromagnétiques) visibles par l'oeil humain sont émises à des fréquences entre 3,7.1014 Hz et 7,5.1014 HzLa célérité de l'onde est la vitesse c avec laquelle l'onde se propage. Le point M reproduit l'état de

la source S avec un retard t= SMcLa célérité des ondes dépend du milieu de propagation, de la nature physique du phénomène. Pour un même milieu de propagation, la célérité des ondes dépend souvent de la fréquence de vibration.Par exemple, le son se propage dans l'air sec à 25 °C à 346 m/s, dans l'eau à 1500 m/s et dans l'acier à près de 5000 m/s mais ne dépend pas de la fréquence (on n'entend pas la flûte avant la contrebasse !). Les vagues à la surface de la mer se propagent avec une célérité egale à 1,56 fois leur période :● une vague de période 10 secondes se propage à 15,6 m/s (56 km/h)● une vague de période 5 secondes se propage à 7,8 m/s (28 km/h)

La lumière se propage à 300 000 km/s quelque soit sa fréquence dans le vide, mais dans un matériaux transparent, la célérité des ondes lumineuses dépend de sa couleur (donc de sa longueur d'onde) et du milieu de propagation.

Durant une période T, un front d'onde a parcouru une distance

l=c×T= cN . Cette distance est appelée longueur d'onde

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Deux point séparés par un nombre entier de longueur d'onde sont dans le même état de vibration; on dit qu'ils vibrent en phase. Ici les points M1, M2 et M3 vibrent en phase, ils sont séparés par une longueur d'onde.

Exemple de longueur d'onde, dans le vide, la célérité des ondes électromagnétique est de 299 792 000 m/s, la lumière visible a une longueur d'onde comprise entre 0,4 µm et 0,8 µm.Dans l'air sec à 20 °C, la célérité des ondes sonores est de 344 m/s ; la fréquence de la note La3 est de 440 Hz ; la longueur d'onde est donc de 78,2 cm.Il ne faut pas confondre ces deux phénomènes : les ondes sonores sont des ondes mécaniques de variation de pression de l'air (ou des matériaux dans lesquels le son se propage), la lumière est une onde électromagnétique (champ électrique et champ magnétique) en général perpendiculaires à la direction de propagation.

4. L'onde électromagnétique et le photon Début4.1 Comment réaliser un spectre d'émission ? Vidéo sodium & Vidéo potassium

Matériel Schéma du montage- Coupelle en porcelaine- Alcool à brûler- Cristaux de chlorure de sodium- Cristaux de chlorure de potassium- Spectroscope à main (tube de carton

avec une fente et un réseau 140 à 530 traits à chaque extrémité)

- AllumettesObserver la flamme à l'oeil nu puis avec le spectroscope pour chaque espèce de cristaux.

Compte rendu de l'expérience :..................................................................................................................................................................................

1. Les spectres observés pour le sodium et le potassium sont-ils continus ou discontinus ?..................................................................................................................................................

2. Quelle est la couleur des raies observées ?..............................................................................

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4.2 Comment mettre en évidence l'effet photoélectrique ? Vidéo 1 & Vidéo 2Matériel Schéma du montage

- Un support avec ruban de magnésium- Une plaque de verre- Un carton de protection- Un électroscope avec lame de zinc- Une tige de PVC avec laine- Allumettes- Charger l'électroscope par contact de la

tige de PVC frottée sur la laine- Enflammer le ruban de magnésium en

se protégeant les yeux avec le carton- Observer l'aiguille de l'électroscope

- Réaliser la même expérience en intercalant la plaque de verre

Compte rendu de l'expérience :................................................................................................................................................................................

1. Comment nomme-t-on les charges électriques déposées sur l'électroscope ?..................................................................................................................................................

2. Dans la première expérience, comment expliquer que l'électroscope se décharge ?..................................................................................................................................................

3. Dans la seconde expérience, comment expliquer que l'électroscope ne se décharge pas ?..................................................................................................................................................

4. Quelles sont les radiations lumineuses qui n'ont pas traversé la plaque de verre ?..................................................................................................................................................La lumière désigne un rayonnement électromagnétique visible par l'œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont également des rayonnements électromagnétiques.Du fait de la dualité onde-corpuscule, les rayonnements électromagnétiques peuvent se modéliser de deux manières :• onde électromagnétique : le rayonnement est une variation des champs électriques et

magnétiques ; l'analyse spectrale permet de décomposer cette onde en ondes monochromatiques de longueurs d'onde λ (en m) et fréquences différentes ν (en Hz)

• photon : la mécanique quantique associe à une radiation électromagnétique monochromatique un corpuscule de masse nulle nommé photon dont l'énergie est :

E = hν où h est la constante de Planck (h ≈ 6,63.10-34 J.s) .L'énergie des photons d'une onde électromagnétique se conserve lors de la traversée de différents milieux transparents (par contre, une certaine proportion de photons peut être absorbée).

Spectre de l'hydrogène Spectre du sodiumSpectre de l'hélium

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5. Spectre des ondes electromagnétiques Début

A retenir Début Exercice

1. À une onde lumineuse monochromatique de fréquence v, donc de longueur d'onde = cv

dans le

vide, on associe des photons dont l'énergie (en joule) est : E=h.v=h.c

h : constante universelle de Planck ; h ≈ 6,63.10-34 J.s ;c : vitesse de la lumière ; c = 3.108 m/s ;λ : longueur d'onde en mètre ;v : fréquence de la radiation, en hertz.

2. Dans un spectre d'émission, à chaque raie correspond une radiation monochromatique caractérisée par sa longueur d'onde λ.

Exercice Début Résumé

Ex. Laser à diodeUne diode laser émet une radiation monochromatique de longueur d'onde 670 n.m1. Calculer la fréquence de la radiation émise

.......................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................... 2. Calculer l'énergie d'un photon associé à cette radiation

.......................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................3. Si sa puissance est de 5 mW, calculer l'énergie dissipée en une seconde

............................................................................

............................................................................en déduire le nombre de photos émis en une seconde par cette diode ........................................................................................................................................................

4. Des deux spectres présentés ci-contre, lequel correspond au spectre d'émission de cette diode ?........................................................................................................................................................