Les ondes sont un thème central du programme de Physique-Chimie Terminale. Ondes mécaniques, lumière, diffraction, réfraction et effet Doppler sont régulièrement au bac.
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Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu (ou dans le vide pour les ondes électromagnétiques) en transportant de l'énergie sans transport de matière. Caractérisées par : longueur d'onde λ (m), fréquence f (Hz), période T = 1/f (s), célérité v = λ⋅f(m·s⁻^1).
Question probable
Calculer la longueur d'onde d'une onde sonore de fréquence 440 Hz se propageant dans l'air à 340 m·s⁻^1.
Réponse
→On utilise la relation v = λ⋅f → λ = v/f = 340/440 ≈ 0,773 m ≈ 77,3 cm. Cette fréquence correspond à la note La (440 Hz). Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte (relation inverse).
Mnémotechnique
v = λ⋅f. "Vitesse = Longueur d'onde × Fréquence." λ = v/f. f = v/λ. Fréquence haute = λ courte.
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PHY
Ondes transversales et longitudinales
Définition
Onde transversale : la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation (lumière, ondes à la surface de l'eau, ondes S sismiques). Onde longitudinale : la perturbation est parallèle à la direction de propagation (son, ondes P sismiques). Le son ne se propage pas dans le vide, la lumière oui.
Question probable
Distinguer les ondes sonores (longitudinales) des ondes lumineuses (transversales).
Réponse
→Le son est une onde de pression longitudinale : les molécules d'air oscillent dans la direction de propagation (compressions et raréfactions alternées). Il nécessite un milieu matériel. La lumière est une onde électromagnétique transversale : les champs E et B oscillent perpendiculairement à la propagation. Elle se propage dans le vide à c = 3 ×108m·s⁻^1. Le son ne peut pas se propager dans l'espace.
Mnémotechnique
Son = Longitudinal (même sens). Lumière = Transversal (perpendiculaire). Son besoin de matière, lumière non. "Le son ne voyage pas dans l'espace."
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PHY
La diffraction des ondes
Définition
La diffraction est l'étalement d'une onde quand elle passe par une ouverture ou rencontre un obstacle de taille comparable à sa longueur d'onde. Plus l'ouverture est petite ou la longueur d'onde grande, plus la diffraction est importante. Formule : θ≈λ/a (en radians), où a est la largeur de la fente.
Question probable
Une lumière de longueur d'onde 550 nm passe par une fente de 0,1 mm. Calculer l'angle de diffraction.
Réponse
→θ≈λ/a = 550 ×10⁻^9 / (0,1 ×10⁻^3) = 5,5 ×10⁻^3 rad. En degrés : θ≈ 0,315°. La figure de diffraction présente une tache centrale large et des franges latérales alternant lumière et obscurité. La tache centrale est d'autant plus large que la fente est étroite.
Mnémotechnique
θ≈λ/a. Petite fente (a petit) → grand angle (grande diffraction). Grande λ → grande diffraction. "Petite porte, grand étalement."
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PHY
La réfraction (lois de Snell-Descartes)
Définition
Quand une onde passe d'un milieu à un autre, elle change de direction si l'angle d'incidence n'est pas nul. Loi de Snell-Descartes : n1⋅sin(θ1) = n2⋅sin(θ2), où n est l'indice de réfraction et θ les angles par rapport à la normale. Si n₂ > n₁, le rayon se rapproche de la normale.
Question probable
Un rayon lumineux passe de l'air (n₁ = 1) dans le verre (n₂ = 1,5) avec un angle d'incidence de 30°. Calculer l'angle de réfraction.
Réponse
→n1⋅sin(θ1) = n2⋅sin(θ2) → 1 × sin(30°) = 1,5 ×sin(θ2) → sin(θ2) = sin(30°)/1,5 = 0,5/1,5 = 1/3 → θ2 = arcsin(1/3) ≈ 19,5°. Le rayon se rapproche de la normale en entrant dans le verre (milieu plus dense optiquement).
Mnémotechnique
n1⋅sin(θ1) = n2⋅sin(θ2). Grand n → petit angle. "Milieu dense → rayon se coude vers la normale." Air vers verre : angle diminue.
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PHY
L'effet Doppler
Définition
L'effet Doppler est le changement apparent de fréquence d'une onde lorsque la source et/ou l'observateur sont en mouvement relatif. Source s'approchant → fréquence perçue plus élevée. Source s'éloignant → fréquence perçue plus faible. Formule : f_obs = f_s × (v ± v_obs)/(v ∓ v_s).
Question probable
Une ambulance émet une sirène à 440 Hz. Elle s'approche à 30 m·s⁻^1. Quelle fréquence perçoit un observateur immobile ? (v_son = 340 m·s⁻^1)
Réponse
→Source en approche, observateur immobile : f_obs = f_s × v/(v − v_s) = 440 × 340/(340 − 30) = 440 × 340/310 ≈ 440 × 1,097 ≈ 482 Hz. La fréquence perçue est plus élevée. Quand l'ambulance s'éloigne : f_obs = 440 × 340/370 ≈ 404 Hz. C'est la chute de ton caractéristique que l'on entend.
Mnémotechnique
Approche → fréquence monte (aiguë). Éloignement → fréquence descend (grave). "L'ambulance qui passe : aigu → grave." Radar utilise l'effet Doppler.
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