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Quelles sont les grandeurs qui caractérisent une onde ?
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Une onde est un mouvement périodique décrit par une fonction sinusoïdale qui n’équivaut pas à un transport de matière. Chaque onde est caractérisée par différentes grandeurs qui leurs sont propres. Grâce à ces grandeurs, nous pouvons trouver la nature de l’onde, ses propriétés et ses conséquences.
1. Introduction : les ondes
Il existe plusieurs types d’ondes ; les ondes mécaniques, les ondes électromagnétiques et les ondes gravitationnelles. Les ondes mécaniques correspondent à une propagation d’une perturbation dans un milieu matériel, comme par exemple le son, les ondes sismiques, ou les vagues. Elles peuvent être longitudinales ou transversales, c’est-à-dire : si elles sont transversales, elles se déplacent perpendiculairement par rapport à la direction, et si elles sont longitudinales, elles se déplacent parallèlement à la direction. Puis il y a les ondes électromagnétiques qui sont une représentation d’une perturbation d’un champ électrique et magnétique. Finalement, l’onde gravitationnel qui est une notion trop abstraite pour notre niveau d’étude.
2. Les différentes grandeurs
La longueur d’onde
L’amplitude
La période
La phase
La fréquence
3. La longueur d’onde
Une onde est un phénomène physique se propageant et qui se reproduit plus tard dans le temps et plus loin dans l’espace. On définit alors la longueur d’onde comme étant la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné. Communément, pour définir la longueur d’onde, on utilise la lettre $\lambda$. Pour la calculer, on définit d’abord la célérité, qui est la vitesse de l’onde et qui s’écrit avec la lettre c, et également la période, que l’on définira plus tard et qui s’écrit avec la lettre T.
Nous avons donc la formule suivante : $\lambda$=cT=$\frac{c}{\nu}$ où ν est égal à la fréquence.
Nous pouvons également regarder l’illustration suivante pour mieux comprendre ce qu’est une longueur d’onde.
Sur cette illustration, nous remarquons qu’il est possible de mesurer la longueur d’onde à partir de n’importe quel point de l’onde si tant est que notre mesure reste parallèle à l’axe horizontal.
La longueur d’onde permet de différencier les ondes comme par exemple l’onde radio (longueur d’onde > 10cm) de l’onde du micro-onde ou du radar (de 1mm à 10cm).
4. L’amplitude
L’amplitude est la hauteur de l’oscillation d’une onde. Elle se mesure entre l’axe horizontal et un maximum de la fonction sinus. Selon la nature de l’onde, elle ne correspond pas à la même chose à chaque fois. Pour une corde vibrante, c’est une distance. Pour une onde sonore, elle correspond à la pression de l’air, etc.
L’amplitude est en relation avec l’intensité du son. Plus l’amplitude est grande, plus le son, par exemple, est fort. L’illustration suivante permet de bien comprendre ce qu’est l’amplitude d’une onde.
5. La période
La période, est le temps que prend un des phénomènes d’une onde à se reproduire. En mesurant la longueur d’onde, si nous prenons en compte le temps que prend ce phénomène à se reproduire, nous obtenons la période. On désigne la période avec la lettre T. L’illustration suivante permet d’expliquer qu’est-ce qu’une période lorsque on joue au yoyo, mouvement qui peut être assimilé à une onde.
6. La fréquence
La fréquence est le nombre de fois qu’un phénomène se reproduit par unité de temps. On la mesure en Hertz (nombre de périodes par seconde). La fréquence équivaut à l’inverse de la période. On désigne cet grandeur avec les lettres ν ou f ; ce qui donne la formule suivante ; f=${\frac{1}{T}}$. La fréquence agit sur la hauteur d’un son (plus ou moins grave). L’illustration suivante permet de constater la différence entre plusieurs ondes avec des fréquences différentes, de la plus petite, en haut, à la plus grande, en bas.
En ce qui concerne les sons, l’homme peut percevoir les fréquences variant entre 20 et 20’000 Hertz. 20 étant le son le plus grave que nous entendons, et 20’000 le plus aiguë.
7. La phase
La phase exprime la position instantanée de l’onde périodique dans la période. Lorsqu’il y a plusieurs ondes sur un même axe, nous pouvons assister à un phénomène de déphasage. Le déphasage désigne la différence entre les phases des deux ondes.
Il peut s’exprimer par un angle (radian ou degré), par un laps de temps (seconde) ou par une distance (mètre).
Lorsque deux ondes sont en phase, on dit qu’à chaque k*t, leur position sont identiques, c’est-à-dire qu’elles coupent l’axe horizontal aux mêmes points et qu’elles ont les mêmes signes. Cette image montre bien ce que sont des ondes en phases.
L’onde noire et l’onde bleue sont en phase alors que l’onde rouge est en opposition de phase par rapport aux deux autres ondes.
Nous pouvons mesurer le déphasage grâce au retard. Le déphasage est communément noté φ et le retard τ. La formule est la suivante : $\phi=2\pi*\frac{\tau}{T}$. Si φ est égal à 0, alors les deux ondes sont en phase, si il est égal à +- π alors les deux ondes sont en opposition de phase.
8. Conclusion
Nous pouvons constater que toutes les ondes ont ces caractéristiques et qu’il y a des connexions et des interactions entre certaines d’entre elles.
9. Sources
http://fr.wikipedia.org
http://pagesperso-orange.fr/physique.chimie
Cahier personnel de notes électroniques