Propriétés des Ondes

I) L’effet Doppler

L’effet Doppler est le décalage de fréquence observé entre l’émission et la réception d’une onde dans le cas où l’émetteur et le récepteur sont en mouvement l’un par rapport à l’autre.

Dans le cas des ondes électromagnétique, on parle d’effet Doppler-Fizeau.

1) Définition

2) Sens du décalage

Lorsque l’émetteur et le récepteur se rapprochent l’un de l’autre :

La fréquence reçue est supérieure à la fréquence réellement émise.

Lorsque l’émetteur et le récepteur s’éloignent l’un de l’autre :

La fréquence reçue est inférieure à la fréquence réellement émise.

Visualisation : cas des ondes sonores

Observateur 1 Observateur

2

Observateur 2

Observateur 1

Voiture et observateurs au repos par rapport au sol

Le son perçu par les observateurs a la même longueur d’onde et donc la même fréquence que le son émis par la sirène de la voiture.

Voiture et observateurs au repos par rapport au sol

L’observateur 1 perçoit un son de λ plus grande, donc de fréquence plus petite que le son réellement émis par la sirène.

L’observateur 2 perçoit un son de λ plus petite, donc de fréquence plus grande que le son réellement émis par la sirène.

Conséquence :

L’observateur 1, dont la voiture s’éloigne, perçoit un son de fréquence plus petite, donc plus grave.

L’observateur 2, dont la voiture se rapproche, perçoit un son de fréquence plus grande, donc plus aigu.

PENSEZ A UN CHAT !!!!

MIIIIIIIIIIIIIIIAAAAAAAAAOOOOUUUUUUUUUU !!!!!

Cas des ondes électromagnétiques

On observe une étoile et on s’interesse par exemple à une radiation bien particulière, de longueur d’onde donnée, représentée en noir sur le schéma suivant :

Cas a : étoile fixe par rapport à nousLa radiation est bien observée avec la même longueur d’onde qu’au moment où elle a été émise par l’étoile.

Cas b : étoile se rapproche de nousLa radiation est observée avec une longueur d’onde plus courte, donc plus proche du domaine du bleu. On parle de décalage vers le bleu (blueshift).

Cas c : étoile s’éloigne de nousLa radiation est observée avec une longueur d’onde plus grande, donc plus proche du domaine du rouge. On parle de décalage vers le rouge (redshift).

Remarque :

La lumière que nous observons de la plupart des galaxies est décalée vers le rouge. Cela signifie que la plupart des galaxies s’éloignent de nous, ce qui constitue une preuve expérimentale de l’expansion de l’Univers.

II) La diffraction

1) Définition

Mise en évidence dans une cuve à ondes :

Lorsqu’une onde rencontre un obstacle ou un trou de petite dimension, ses directions de propagation s’étalent : c’est le phénomène de diffraction.

La diffraction est un phénomène caractéristique des ondes.

Dans la nature :

Le phénomène de diffraction dépend de la longueur d’onde λ de l’onde incidente et de la dimension « a » de l’obstacle. Il est d’autant plus marqué que « a » est voisin ou inférieur à λ

a ≈ λ (voire inférieur)=> Diffraction

a > λ=> Pas de diffraction

aa

2) Influence de λ et de la dimension de l’obstacle ou de la fente

La diffraction étant caractéristique des ondes, cette expérience montre le caractère ondulatoire de la lumière.

Expérience : laser + fente

On observe sur l’écran une série de taches. La tache centrale est beaucoup plus lumineuse que les taches secondaires et elle est deux fois plus large.

La direction de propagation de la lumière a été étalée, c’est un phénomène de diffraction. La figure obtenue sur l’écran est appelée figure de diffraction.

3) Cas de la lumière

L’écart angulaire de diffraction noté Ɵ est l’angle entre la direction de propagation de l’onde non diffractée et la direction définie par la première extinction.

L

L

Intensité lumineuse :

La tache centrale est beaucoup plus lumineuse que les taches secondaires.

Remarque :

La figure de diffraction est toujours perpendiculaire à la fente où à l’obstacle qui provoque la diffraction :

Diffraction par : une fente verticale un trou circulaire un trou carré

En lumière polychromatique, chaque longueur d’onde λ donne sa propre figure de diffraction :la superposition de ces figures conduit à l’observation de zones colorées ou irisations.

Cas de la lumière blanche (polychromatique) :

Donc plus la longueur d’onde est grande, plus l’écart angulaire θ est grand et plus la largeur L de la tache centrale est grande.

III) Interférences

1) Conditions nécessaires

Sources synchrones :même fréquence et vibrent en phase à tout instant

Les ondes émises par chaque source se superposent, on dit qu’elles interfèrent.

Il y a interférences lorsque deux ondes émises par des sources synchrones se superposent dans l’espace.

Avec les ondes lumineuses

On envoie un rayon laser à travers une fente de petite dimension

(largeur a) : on observe une figure de diffraction

On envoie un rayon laser à travers deux fentes de largeur a séparées

par une distance b (fentes d’Young) : on observe une figure de diffraction striée d’une alternance de bandes noires et lumineuses : ce sont des

franges d’interférences

2) Interprétation

Observons le croisement de deux ondes a la surface de l’eau :L’amplitude au point P de la surface est égale à la sommedes amplitudes de chacune des ondes incidentes en ce point. Les ondes se croisent sans être perturbées.

Interférences constructives Interférences destructives

Pour les ondes périodiques, deux cas particuliers peuvent être observés :

Interférences constructives

Interférences destructives

3) Différence de marche

On définit : δ = d2 – d1, la différence de marche entre les 2 ondes

L’onde passant par S1 parcours la distance d1 pour aller sur le point P de l’écran.L’onde passant par S2 parcours la distance d2 pour aller sur le point P de l’écran.

Si : δ = k λ , il y a interférences constructives et on observe des franges brillantes

Si : δ = (k + 1/2) λ, il y a interférences destructives et on observe des franges sombres

Propriété :

Voir animation sur pcpagnol

En effet :

Si l’onde B se décale d’un multiple entier de λ par rapport à l’onde A, alors les deux ondes seront toujours en phase au point P, les interférences seront constructives

En S1 et S2, les ondes A et B sont en phase (sources synchrones)

Si l’onde B se décale d’un multiple entier de λ + la moitié de λ par rapport à l’onde A, alors les deux ondes seront en opposition de phase au point P, les interférences seront destructives

4) Interfrange

Lors d’interférences lumineuses, l’interfrange i estla distance séparant deux franges brillantes ou deuxfranges sombres consécutives.

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