Sciences · Physique
Les ondes
Une onde est la propagation d’une perturbation de proche en proche : elle transporte de l’énergie sans déplacer de matière sur de longues distances. Son, lumière, vagues et séismes sont des ondes.
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Un bouchon posé sur l’eau monte et descend au passage d’une vague, mais n’avance presque pas : c’est la perturbation qui voyage, pas l’eau. Cette observation résume ce qu’est une onde. Le même concept décrit le son, la lumière, les ondes radio, les vibrations d’une corde de guitare ou les séismes.
Les deux grandes familles
| Famille | Besoin d’un milieu ? | Ce qui oscille | Exemples |
|---|---|---|---|
| Ondes mécaniques | oui (solide, liquide ou gaz) | la matière du milieu (déplacement, pression) | son, vagues, ondes sismiques, corde vibrante |
| Ondes électromagnétiques | non, elles se propagent dans le vide | un champ électrique et un champ magnétique | lumière, radio, micro-ondes, rayons X |
C’est pourquoi on n’entend aucun son dans l’espace alors que la lumière du Soleil nous parvient. Les ondes électromagnétiques voyagent dans le vide à la vitesse de la lumière, environ 300 000 km/s.
Ondes transversales et longitudinales
- Onde transversale : la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation. Exemples : une corde secouée de haut en bas, les ondes électromagnétiques, les ondes sismiques S.
- Onde longitudinale : la perturbation se fait dans la direction de propagation, par compressions et dilatations successives. Exemples : le son dans l’air, un ressort comprimé par un bout, les ondes sismiques P.
Les vagues à la surface de l’eau combinent les deux : les particules d’eau décrivent des petites boucles.
Les grandeurs qui décrivent une onde périodique
Une onde périodique se répète identique à elle-même. Elle possède une double périodicité, dans le temps et dans l’espace.
| Grandeur | Symbole | Unité | Signification |
|---|---|---|---|
| Période | T | seconde (s) | durée d’une oscillation complète en un point |
| Fréquence | f | hertz (Hz) | nombre d’oscillations par seconde, f = 1 / T |
| Longueur d’onde | λ (lambda) | mètre (m) | distance entre deux crêtes successives |
| Célérité | v (ou c) | m/s | vitesse de propagation de la perturbation |
| Amplitude | A | selon l’onde | écart maximal par rapport à l’équilibre ; liée à l’énergie transportée |
La relation fondamentale
λ = v × T = v / f
Pendant une période, l’onde avance d’une longueur d’onde. À célérité fixée, plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte.
La célérité dépend du milieu
La vitesse d’une onde est fixée par les propriétés du milieu, pas par la source.
| Onde et milieu | Célérité approximative |
|---|---|
| Son dans l’air (20 °C) | 343 m/s |
| Son dans l’eau | 1 500 m/s |
| Son dans l’acier | environ 5 900 m/s |
| Houle au large (période 10 s) | environ 15 m/s |
| Tsunami en plein océan (4 000 m de fond) | environ 700 km/h |
| Ondes sismiques P dans la croûte | environ 6 km/s |
| Lumière dans le vide | 299 792 km/s |
| Lumière dans l’eau | environ 225 000 km/s |
Les phénomènes ondulatoires
Toutes les ondes, quelle que soit leur nature, partagent les mêmes comportements :
- Réflexion : l’onde rebondit sur un obstacle (écho, miroir, radar, sonar).
- Réfraction : l’onde change de direction en passant d’un milieu à un autre où sa vitesse diffère (voir réfraction de la lumière).
- Diffraction : l’onde s’étale en passant par une ouverture ou en contournant un obstacle de taille comparable à sa longueur d’onde. On entend une voix derrière un mur mais on ne voit pas la personne : les ondes sonores (environ 1 m) se diffractent bien plus que la lumière (moins d’un micromètre).
- Interférences : deux ondes qui se superposent s’additionnent ou s’annulent selon leur décalage. Principe des casques à réduction de bruit active et des irisations des bulles de savon.
- Effet Doppler : la fréquence perçue augmente quand la source s’approche et diminue quand elle s’éloigne (sirène d’ambulance, radars de vitesse, mesure de la vitesse des galaxies).
- Absorption : l’onde perd de l’énergie dans le milieu, qui s’échauffe.
Ondes progressives et stationnaires
Une onde qui se déplace est dite progressive. Quand une onde se réfléchit entre deux points fixes, l’onde aller et l’onde retour interfèrent et forment une onde stationnaire : certains points, les nœuds, restent immobiles, d’autres, les ventres, vibrent au maximum. C’est le principe des instruments à cordes et à vent : la longueur de la corde ou du tuyau impose les fréquences possibles, donc les notes.
Une onde transporte de l’énergie
Sans déplacer de matière, une onde transporte de l'énergie : la houle fait tourner des générateurs, un séisme détruit des bâtiments à des centaines de kilomètres, la lumière solaire réchauffe la Terre et nourrit la photosynthèse. En mécanique quantique, la lumière se comporte aussi comme un flux de particules, les photons, dont l’énergie vaut E = h × f (h, constante de Planck).
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre fréquence et longueur d’onde ?
La fréquence compte les oscillations par seconde (en hertz) ; la longueur d’onde mesure la distance entre deux crêtes (en mètres). Elles sont liées par λ = v / f.
Une onde transporte-t-elle de la matière ?
Non : la matière du milieu oscille autour de sa position d’équilibre, mais seule l’énergie se propage sur de longues distances.
Le son est-il une onde électromagnétique ?
Non. C’est une onde mécanique : une vibration de pression qui a besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Pourquoi les ondes radio traversent-elles les murs et pas la lumière ?
Leur longueur d’onde est beaucoup plus grande et les matériaux du bâtiment les absorbent peu ; la lumière visible, elle, est absorbée ou réfléchie par la plupart des matériaux opaques.