P10 – Résumé de cours Livre p466/471

Les ondes correspondent à une propagation d’énergie dans un milieu qui doit être matériel dans le cas des ondes

mécaniques (sons, ondes sismiques, houle …) mais qui peut être aussi le vide dans le cas des ondes électro-

magnétiques (lumière, ondes radios, rayon X …). Si elles sont périodiques, elles sont caractérisées par leur période T,

leur fréquence f (f =1/T), leur célérité v et leur longueur d’onde λ (λ = v/f). Rappels : livre p 459 + ex. 4,6,7,8 p469.

Les ondes se manifestent par des phénomènes qui leur sont propres : atténuation, diffraction, interférences …

1) Atténuation des ondes sonores :

a - Intensité sonore I et niveau d’intensité sonore L :

Une source sonore émet un son de puissance P dans toutes les directions de l’espace. Au cours de la propagation, la puissance se répartit sur une surface de plus en plus grande et son intensité décroit lorsque la distance d à la source augmente (schéma).

Par définition, l’intensité sonore I correspond à la puissance transportée par unité de surface :

Pour un être humain, l’intensité sonore minimale audible (seuil d’audibilité) a pour valeur 1,0.10-12 W.m-2. L’intensité

maxi audible (seuil de douleur) a pour valeur 1,0 W.m-2. Étant donné l’étendue des intensités audibles, la sensation

auditive humaine suit davantage une échelle logarithmique qui correspondant au niveau d’intensité sonore L :

b - Atténuations géométrique et par absorption :

L’intensité sonore diminue lorsqu’on s’éloigne d’une source car l’aire de la surface sur

laquelle se répartit la puissance émise augmente (voir définition ci-dessus).

Remarque : l’intensité sonore est divisée par quatre lorsque la distance à la source est multipliée

par deux ( I = f(1/d2) ). Il s’ensuit que le niveau sonore diminue de 6dB.

L’intensité sonore diminue également lorsque le son traverse un milieu absorbant. Pour

quantifier ce phénomène, on définit l’atténuation A (dB) : eA = Lincidente - Ltransmiseee

soit : A = 10 x log (I incidente / I transmise)

Exercices : n°30,31,41,42 p 478

PHÉNOMÈNES ONDULATOIRES

ACTİVİTÉ 1

2) La diffraction :

La diffraction est une propriété des ondes qui se manifeste par une modification de la direction de propagation

lorsqu’une onde rencontre un obstacle ou une ouverture. Exemples :

Conséquences :

Exercice : Un son produit par l’orateur de l’image ci-dessus a une fréquence de 800 Hz. Expliquer pourquoi la

personne à l’extérieur de la salle peut l’entendre. Données : vson = 345 m.s-1 ; la largeur de la porte est égale à 1m.

Exercices : n°45,49,64 p 479/483

ACTİVİTÉ 2

La diffraction s’observe lorsque la dimension a de l’obstacle est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde λ. Dans le cas des ondes lumineuses, le critère est moins sélectif : le phénomène est encore apparent avec des obstacles jusqu’à 100 fois plus grands que λ .

La diffraction ne modifie ni la longueur d’onde ni la fréquence de l’onde. Elle est caractérisée par un angle caractéristique θ (angle entre la direction initiale de l’onde et celle de la première extinction) :

Il s’ensuit que angle caractéristique augmente lorsque la dimension de l’obstacle diminue.

θ : angle caractéristique (radian) ; λ : longueur d’onde (mètre) ; a : largeur de l’obstacle ( (mètre) θ = 𝛌

𝒂

Diffraction d’un faisceau LASER Diffraction de la houle à l’entrée d’un port

θ

λ

a

( lumière monochromatique de longueur d’onde 𝜆 )

3) Les interférences :

Exemples :

- lorsque deux faisceaux lumineux issus d’une même source LASER passent par deux ouvertures et se superposent, on observe une succession de franges brillantes et sombres (fig. a) - lorsque deux ondes mécaniques de même fréquence se rencontrent, on observe des zones où elles se renforcent (point R) et d’autres où elles s’annulent (point A) (fig. b)

Interprétation :

Une onde monochromatique peut être modélisée par une fonction sinusoïdale. Lorsque deux ondes monochromatiques de même longueur d’onde se superposent, deux situations extrêmes peuvent se rencontrer :

Si les creux et les crêtes coïncident, les ondes se renforcent. Elles sont en phase et on parle d’interférences constructives :

Si les creux de l’une coïncident avec les crêtes de l’autre, les ondes s’annulent. Elles sont en opposition de phase et on parle d’interférences destructives :

Cas des interférences avec les trous d’Young : voir livre p469

Exercices : n°37,48,51,59,63,68 p 478/486

Le phénomène d’interférences se manifeste lorsque deux ondes de même fréquence et issues d’une même source

se superposent en un point de l’espace. Suivant l’endroit où elles se superposent, on observe des zones où elles se

renforcent (interférences constructives) et des zones où elles s’annulent (interférences destructives).

fig. a

i

fig. b

R

A

Conditions de formation des interférences constructives et destructives :

Soit δ = S2P-S1P la différence de marche entre les distances parcourues par deux ondes issues d’une même source qui interfèrent en un point P (voir sur la fig. a et sur cette simulation) :

- si δ = k x λ alors les interférences sont constructives ( k est un entier relatif)

- si δ = (k + 𝟏

𝟐 ) x λ alors les interférences sont destructives

La distance entre deux franges brillantes est appelée interfrange i

ACTİVİTÉ 3

https://physique-chimie.discip.ac-caen.fr/spip.php?article435

4) L’effet Doppler :

Le son produit par la sirène d’une ambulance est perçu plus aigu lorsque l’ambulance s’approche de l’observateur et

plus grave lorsqu’elle s’en éloigne :

En effet, lorsque l’émetteur E produit une onde sonore périodique de longueur d’onde λ , une succession de zones

de compression de l’air se propage à une célérité vson dans toutes les directions offertes par le milieu. Si l’émetteur E

est immobile par rapport aux récepteurs A et B (fig. a), les zones de compression passent périodiquement au niveau

des récepteurs à une fréquence identique à celle du son produit par l’émetteur.

En revanche, si l’émetteur E est en mouvement et se rapproche du récepteur (fig. b), les zones de compressions

successives se rapprochent elles aussi du récepteur, ce qui provoque une diminution de la longueur d’onde perçue

au niveau du récepteur, soit une augmentation de la fréquence (voir récepteur A).

Si l’émetteur E s’éloigne du récepteur, c’est le contraire (voir récepteur B).

Applications :

- La réflexion des ondes électromagnétiques sur les voitures permet aux radars de déterminer leurs vitesses par mesure du décalage Doppler entre l’onde émise et l’onde réfléchie. De la même manière, la réflexion des ultrasons sur les globules du sang permet de détecter les anomalies d’écoulement dans les artères ou veines.

- Dans le domaine de l’astrophysique, l’effet Doppler permet de mesurer la vitesse d’éloignement des étoiles et de détecter les exoplanètes :

En effet, lorsqu’une source lumineuse s’éloigne de la Terre, son spectre

d’absorption se décale vers les basses fréquences (donc vers les grandes

longueurs d’onde). On parle alors de « redshift ».

C’est le contraire lorsque la source lumineuse se rapproche.

Exercices : n°26,40,56,67 p 478/486

Effet Doppler :

Une onde (mécanique ou électromagnétique) émise avec une fréquence fE est perçue avec une fréquence fR différente lorsque l’émetteur et le récepteur sont en déplacement relatif.

- si l’émetteur et le récepteur se rapprochent alors la fréquence perçue est supérieure à la fréquence émise (fR > fE) - si l’émetteur et le récepteur s’éloignent alors la fréquence perçue est inférieure à la fréquence émise (fR < fE)

La variation de fréquence δf = fR - fE , appelée « décalage Doppler », dépend de la vitesse v de l’émetteur par rapport au récepteur. La mesure de δf permet de déterminer v (voir activité 10.4, doc.2).

fig. fig.

ACTİVİTÉ 4