PHYSIQUE. (Révisions vacances d hiver 2013)

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1 PHYSIQUE (Révisions vacances d hiver 2013) Séance 3 ONDES : RAYONNEMENT DANS L UNIVERS CARACTERISTIQUES DES ONDES MECANIQUES PROPRIETES DES ONDES PERIODIQUES-DIFFRACTION Exercice Type 1 : Ondes progressives Exercice Type 2 : Ondes progressives périodiques Exercice Type 3 : Le son Exercice Type 3 : Diffraction lumineuse 1

2 PARTIE 1 : ONDES Chapitre 1 : RAYONNEMENT DANS L UNIVERS I) Définition On appelle RAYONNEMENT la propagation d énergie émise par une source. Dans l univers, on distingue : - le rayonnement de particules (rayonnement cosmique) lorsque cette propagation d énergie s accompagne d un transport de matière - le rayonnement électromagnétique, lorsque cette propagation d énergie se fait sans transport de matière (il s agit donc d ondes électromagnétiques). Ce rayonnement électromagnétique peut se propager dans le vide II) Le spectre électromagnétique Les ondes électromagnétiques présentent dans l univers se répandent sur un très large spectre : Ordre de grandeurs : Le rayonnement Gamma est inférieur à m Les rayons X d environ m à 10-8 m Les UV de 10-8 m à 400 nm Le visible de 400 nm à 800 nm L infra rouge de 800 nm à 10-3 m Les ondes radio de 10-3 m à 10 4 m (on précisera de 10-3 m à 1 m les micro-ondes) III) Sources de rayonnement III.1) Sources de rayonnement électromagnétique Il existe plusieurs moyens de produire du rayonnement électromagnétique. On citera - l origine quantique : lorsqu un système microscopique (atomes, molécules, ions.) est dans un état excité, il se désexcite en émettant un rayonnement (il retombe alors dans un état moins excité) tel que la variation d énergie entre ces etats soit proportionnelle à la fréquence du rayonnement émis. E h avec E en Joules ; en Hertz et hcons tan tede Planck en J. s - L origine thermique : En effet, tout corps à un température T émet un rayonnement électromagnétique dont le spectre polychromatique est continue, et dont la longueur d onde 3 maximum est donné par la loi de Wien max T 2, m. K. Ce qui signifie que plus la température de la source est élevée, plus le rayonnement s enrichit dans les courtes longueurs d ondes (et réciproquement) 2

3 III.2) Exemples de sources de rayonnement électromagnétique a) sources de rayonnement UV - dans l univers : étoiles chaudes - dans la vie courante : lampes à UV b) sources de rayonnement IR - dans l univers : terre, nuage interstellaire - dans la vie courante : les êtres humains, les animaux, les radiateurs c) sources radios - dans l univers : rayonnement fossile - dans la vie courante, les antennes radio, WIFI. III.3 Sources de rayonnement cosmiques Particules, en général de haute énergie, émise par le soleil, les autres étoiles. Mais elles sont surtout émises lors des explosions d étoiles (les supernovas) : on trouve des protons, électrons, neutrons, neutrinos IV. Détecteur de rayonnement IV.1 Définition Un détecteur de rayonnement électromagnétique est constitué d une surface réceptrice qui intercepte le rayonnement pour les concentrer et les diriger vers des détecteurs spécifique. Le détecteur doit alors transformer le rayonnement en une grandeur physique mesurable, par exemple un signal électrique. IV.2 Exemple La cellule photoélectrique est un composant qui soumis à un rayonnement électromagnétique libère des électrons, donc produit du courant électrique (mesurable) qui est fonction de la lumière incidente. V) Absorption des rayonnements Pour pouvoir détecter ces rayonnements, il est indispensable que les rayonnements atteignent les détecteurs sur terre. Or l atmosphère terrestre est transparente pour certains rayonnements, et opaques pour d autres Les rayonnements capables de traverser l atmosphère terrestre sans être trop absorbées sont principalement ceux du domaine visible et une partie des ondes radios. Pour observer les rayonnements absorbés par l atmosphère, il est donc nécessaire de se situer au dessus de l atmosphère, donc d envoyer des satellites au-delà de l atmosphère qui transportent les détecteurs. 3

4 PARTIE 1 : ONDES Chapitre 2 : Caractéristiques des ondes mécaniques I) Onde mécanique progressive I.1 Définition Une onde mécanique progressive correspond au phénomène de propagation d une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière mais avec transport d énergie. Une onde mécanique nécessite donc un milieu matériel pour se propager, contrairement aux ondes électromagnétiques. I.2 Onde progressive à une dimension Il s agit d une onde mécanique qui ne peut se propager que sur une seule direction, car la milieu de propagation ne permet qu une seule direction de propagation. Par exemple, une onde le long d une corde. I.3 Retard et célérité Soient deux points M et M atteints successivement par une onde progressive à une dimension. M subit la même perturbation que M avec un certain retard τ V ' MM La célérité de l onde s écrit Unités : Ven m.s- 1 ; MM en m ; τ en s 4

5 II) Onde mécanique progressive périodique II.1 Définition Une onde mécanique progressive est dite périodique si la source qui lui donne naissance est animée d une vibration périodique. La périodicité de la source se retrouve dans la périodicité de l onde Si l on peut caractériser la perturbation par une fonction sinusoïdale, l onde est qualifiée d onde sinusoïdale. II.2 Période T de l onde La période T est la durée nécessaire pour que le phénomène périodique (ici, l onde) se répète identiquement à lui-même. La période T s exprime en s. II.3 La fréquence de l onde La fréquence de l onde est le nombre de phénomènes périodiques ayant lieu en une seconde. 1 f Elle se calcule par la formule T avec T en s, et f en Hz II.4 La longueur d onde 5

6 La longueur d onde correspond à la distance minimale qui sépare deux points dans le même état vibratoire. V V T f Unités : λ en m, V en m.s -1, T en s, f en Hz Autre définition : la longueur d onde est la distance que parcourt l onde pendant une période T Exercice Type 1 : Ondes progressives 6

7 Exercice Type 2 : Ondes progressives périodiques 7

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9 III) Le son III.1 Définition Le son est une onde mécanique progressive périodique se propageant dans l air (ou dans l eau, ou dans les solides). C est une onde longitudinale, car la direction de la perturbation (la vibration de l air) est parallèle à la direction de la propagation III.2 Analyse temporelle d un son Il s agit d une onde périodique, mais non sinusoïdale : cela signifie qu un son contient plusieurs fréquences. III.3 Analyse spectrale d un son On constate la présence de plusieurs fréquences. Le son est donc composé de plusieurs fréquences. La fréquence la plus importante est la 1ère fréquence qui apparait (celle qui est la plus à droite), elle s appelle la fréquence du fondamentale, on la note f 1 (ici 100 Hz) 9

10 III.4 Hauteur d un son La hauteur d un son est une notion physiologique. On dit qu un son est plus «haut» lorsqu il devient plus aigue, ou plus «bas» lorsqu il devient plus grave. Physiquement, la hauteur d un son correspond à la fréquence du fondamentale, f 1. Musicalement, cette hauteur du son correspond à la note jouée. III.5 Echelle des sons L oreille humaine est sensible aux fréquences comprises entre 20 Hz et Hz, ce sont les sont audibles. En deça, ce sont les infra-sons. Au-delà, ce sont les ultra-sons. III.6 Harmoniques Les fréquences qui apparaissent dans le spectre sont appelés harmoniques. La 1ère harmonique est donc le fondamentale, qui fixe la hauteur du son, c'est-à-dire la note jouée. On remarque que les autres harmoniques obéissent à la loi suivante f n =nf 1 III.7 Timbre d un son Le timbre d un son définit l identité sonore d un son. Physiquement, le timbre d un son est relié à l amplitude relative des harmoniques du spectre. III.8 Son pur Un son pur est un son composé d une seule fréquence. Les sons naturels (voix, instruments de musiques ) ne sont donc pas des sons purs. On peut synthétiser électroniquement les sons purs. Exemple : le diapason émet un son pur (à 440 Hz pour accorder les instruments) 10

11 III.9 Le niveau d intensité sonore L 10log I I 0 L : niveau sonore en db I : intensité sonore en W.m -2 Io : intensité de seuil (donnée à10-12 W.m -2 ) L oreille humaine perçoit en théorie à partir de 0 db et peut supporter en théorie jusqu à 130 db Attention : Les niveaux sonores ne s ajoutent pas, seules les intensités acoustiques s ajoutent. Application : si un violon joue à 60 db, deux violons identiques ne font pas 120 db Donc on utilise les propriétés du log, par exemple pour deux violons : 2I I L 10log 10log 2 10log dB I I 0 0 IV) Autre exemples d ondes mécaniques Il existe d autres exemples d ondes mécaniques, par exemple : - La houle : ondes à la surface de l eau - Les séismes : ondes à la surface de la terre Exercice Type 3 : Le son 11

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13 PARTIE 1 : ONDES Chapitre 3 : PRORIETES DES ONDES PERIODIQUES Diffraction, Interférences et Effet Doppler sont 3 propriétés observées pour les ondes périodiques (mécaniques ou électromagnétiques) I. La diffraction I.1 Définition La diffraction consiste en une modification de la propagation de l onde de longueur d onde λ lorsque celle-ci rencontre une ouverture ou un obstacle de dimension a, du même ordre de grandeur que λ. La diffraction ne modifie ni la fréquence, ni la longueur d onde de l onde. I.2 Diffraction pour une onde mécanique a) Exemple 1 : onde à la surface de l eau Cas n 1 : a est grand devant λ L onde n est pas diffractée (pas de modification dans la propagation, elle est juste «arrêté» par les cotés de l ouverture) Cas n 2 : a est plus petit ou du même ordre de grandeur que λ Il y a diffraction, la propagation est modifié : à partir d une onde plane, on remarque après l ouverture une onde circulaire 13

14 b) Exemple 2 : les sons Si l on considère des sons entre 100 Hz et Hz, cela fait une longueur d onde comprise entre 3,4 cm et 3,4 m. Or les obstacles et ouvertures de la vie courante ont des dimensions de l ordre du mètre. Ainsi la plupart des obstacles sont du même ordre de grandeur que la plupart des longueurs d ondes des sons : les sons sont donc diffractés. I.3 Diffraction en lumière monochromatique Expérience à savoir décrire Observation : si il n y avait pas eu la diffraction, on aurait observé un point lumineux sur l écran, or il n en est rien. On observe une figure de diffraction : une tache centrale très lumineuse puis des taches secondaires (moins lumineuses) répartis de part et d autre de la tache centrale. Entre les taches, il y a des extinctions (c'est-à-dire l absence de lumière) Écart angulaire L écart angulaire est l angle formé entre le centre de la tache centrale et la première extinction. Cet écart angulaire est également appelé demi-angle d ouverture. 14

15 avec en rad, et et aenm a I.4 Diffraction en lumière blanche En lumière blanche, la figure de diffraction présente une tache centrale blanche, et les taches latérales sont irisées. En fait ce sont les figures de diffraction de chaque radiation que se superposent. Explication : Les différentes radiations se superposent dans des proportions proches sur la tache centrales (elle apparait donc blanche) ; ce n est pas le cas pour les taches secondaires, d où le dégradé de couleur observé (on parle d irisation) Exercice Type 3 : Diffraction lumineuse 15