Notes d'études secondaires Sciences et technologie 316 Les ondes sonores et visuelles Nom: Prénom: Groupe: Date:
1 LES ONDES Une onde est une perturbation qui se propage. Une onde transporte de l énergie, mais ne transporte pas de matière. Une perturbation est une modification locale et temporaire des propriétés d un milieu. 1.1 Les caractéristiques d une onde Les caractéristiques qui permettent de différencier les ondes sont : leur façon de se propager : ondes transversales et longitudinales leur amplitude leur longueur d onde leur fréquence Une onde transversale est une onde qui se propage perpendiculairement au déplacement du milieu. Elle est formée de crêtes et de creux. 1
Une onde longitudinale est une onde qui se propage parallèlement au déplacement du milieu. Elle est formée de zones de compression et de zones de raréfaction. L amplitude d une onde correspond à la distance maximale parcourue par une particule du milieu par rapport à sa position de repos. Plus l énergie transportée par une onde est grande, plus l amplitude est grande. Dans le cas d une onde transversale, l amplitude correspond à la hauteur maximale de la crête ou à la profondeur maximale du creux. 2
Dans le cas d une onde longitudinale, plus les zones de compression sont denses, plus l amplitude est grande. La longueur d onde (λ) est la longueur d un cycle complet. Un cycle complet est la distance minimale entre deux points semblables (deux points qui exécutent la même sorte de mouvement). La fréquence (f) est le nombre de cycles par unité de temps. Pour mesurer la fréquence d une onde, on compte le nombre d ondes complètes (cycles) qui se forment en un point donné durant une seconde. L unité de mesure de la fréquence est le hertz (Hz). Une onde qui effectue un cycle par seconde a une fréquence de 1 Hz. Autrement dit, la durée d un cycle est de 1 seconde pour l onde dont la fréquence est de 1 Hz. Lorsque l onde effectue 2 cycles par seconde, la durée d un seul cycle est de ½ seconde. Lorsqu elle a 4 Hz, la durée d un seul cycle est de ¼ seconde. 3
La période (T) d une onde est la durée d un seul cycle. Cette grandeur se mesure en secondes (s). Elle est l inverse de la fréquence, f. T=1/f La vitesse (v) d une onde est la distance parcourue par la perturbation par unité de temps : v=λ/t=λxf L unité de mesure de la vitesse est le mètre par seconde (m/s). 1.2 Les types d ondes Il y a deux types d ondes : mécaniques et électromagnétiques. Une onde mécanique est une onde qui a besoin d un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager. Une onde mécanique provient d une perturbation locale qui modifie l état physique du milieu. Les modifications sont transmises aux particules adjacentes, la propagation se faisant de proche en proche. Exemples : les vagues, les ondes sismiques, les ondes sonores. Une onde électromagnétique est une onde qui peut se propager autant dans le vide que dans un milieu matériel. Exemples : les ondes radio, les rayons infrarouges, les ondes lumineuses, les rayons UV, les rayons X, les rayons gamma. Les ondes électromagnétiques (oém) sont des ondes transversales, qui transportent de l énergie rayonnante, comme la lumière. Plus la fréquence d une oém est élevée, plus l énergie qu elle transporte est grande. La vitesse des oém varie selon leur milieu de propagation. Dans le vide, leur vitesse atteint son maximum, environ 300 000 km/s. Le spectre électromagnétique est le classement de toutes les oém en fonction de leur longueur d onde et de leur fréquence. 4
.2 LES ONDES SONORES Le son est une onde mécanique longitudinale produite par la vibration d un corps et propagée dans le milieu environnant. Comment se produisent les sons lorsqu on frappe un tambour et lorsqu on parle. Comment on entend. 5
2.1 La vitesse du son La vitesse du son dépend du milieu de propagation. Elle est d autant plus grande que le milieu est dense. Exemples : Milieu Vitesse (m/s) à 25 C Vitesse (km/h) à 25 C Air 346 1246 Eau 1490 5364 Acier 5200 18720 340 m/s = 1 224 km/h = 1 Mach 2.2 L échelle des décibels Pour mesurer l'intensité des sons on utilise le décibel (db). Cette unité varie de 0 à 140. À un son à peine audible correspond un niveau sonore de 0 décibels. Si l intensité sonore est 10 fois plus grande on a un niveau sonore de 10 db. Si l intensité sonore est 100 fois plus grande on a un niveau de 20 db, etc. Sans connaître toute la mathématique derrière ces calculs, il suffit de faire les opérations suivantes. 1) On divise le nombre de décibel par 10 2) On prend réponse de la première étape et on le met comme exposant à 10. Ex: Un son de 60 décibel est: 1) 60/10=6 2) 10 6 = 1 000 000 donc le son d'une intensité de 60 db est 1 000 000 de fois supérieur à l'intensité d'un son de 0 db 6
3) Chaque augmentation de 10 db signifie une intensification de 10 fois de l intensité sonore : un bruit de 40 db est 10 fois plus intense qu un autre de 30 db et 100 fois plus fort qu un bruit de 20 db. En fait chaque saut de 10 db multiplie par 10 l'intensité. Aussi, il faut noter que les décibels ne s additionnent pas. Un ensemble de deux sons de 50 db chacun ne produit pas un niveau sonore de 100 db, mais plutôt un niveau de 53 db. En effet, deux sons de 50 db chacun sont équivalents, de point vue énergétique, à un son dont l intensité sonore est le double de l intensité de chacun. Mais, lorsqu on double l intensité sonore, le niveau sonore n augmente que de 3 db (de 50 à 53 db). 2.3 La fréquence et la perception sonore La tonalité d un son dépend de sa fréquence. Les sons graves correspondent aux fréquences basses et les son aigus, aux fréquences hautes. L oreille humaine peut percevoir des sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz. Cependant la sensibilité maximale correspond à 1 000 ou 2 000 Hz. Chaque espèce animale perçoit des sons dans une étendue qui lui est propre. Les éléphants peuvent communiquer entre eux par des infrasons (dont la fréquence est plus basse que 20 Hz). Les dauphins perçoivent les ultrasons (f plus haute que 20 000 Hz).Les chauvessouris émettent des ultrasons et utilisent leurs échos pour localiser la position des objets. C est l écholocation. On utilise une méthode semblable en échographie médicale. 7
3 LES ONDES LUMINEUSES La lumière est une onde électromagnétique transversale visible par l être humain. Caractéristiques : les ondes lumineuses se propagent en ligne droite; lorsqu elles rencontrent un obstacle, elles peuvent être réfléchies, réfractées (déviées) ou absorbées. 3.1 La réflexion La réflexion est le changement de direction d un rayon lumineux au contact d un nouveau milieu et son retour dans le milieu d où il provient. Lois de la réflexion : 1. Le rayon incident, la normale et le rayon réfléchi se trouvent toujours dans le même plan. 2. L angle d incidence est toujours égal à l angle de réflexion. Il existe deux types de réflexion : diffuse et spéculaire. 8
La réflexion diffuse Une surface qui nous semble lisse peut être irrégulière, rugueuse. Lorsque des rayons lumineux parallèles frappent une telle surface, ils sont réfléchis dans toutes les directions. Ils semblent ne pas respecter les lois de la réflexion. C est la réflexion diffuse. C est grâce à la réflexion diffuse que nous voyons les objets qui n émettent pas de lumière propre. La réflexion spéculaire Il y a des surfaces parfaitement lisses, comme la surface d un lac ou d un miroir. Lorsque des rayons lumineux parallèles frappent une surface lisse, ils sont réfléchis parallèlement. S ils proviennent d un objet, le fait qu ils gardent leur parallélisme après réflexion permet la formation d une image fidèle de l objet. C est la réflexion spéculaire. 9
Les caractéristiques de l image formée dans un miroir plan L image semble se trouver derrière le miroir, à une distance égale à la distance entre le miroir et l objet réfléchi. L image est virtuelle. Elle est formée par le prolongement des rayons réfléchis. Elle ne peut pas être captée sur un écran. L image a la même grandeur que l objet. L image est inversée horizontalement : le côté gauche de l objet est le côté droit de l image. 10
Caractéristiques des miroirs utiles dans diverses applications Ils modifient, par la réflexion, la trajectoire des rayons lumineux pour qu ils parviennent à l œil de l observateur. Ils augmentent le champ de vision de l observateur. Applications des miroirs Rétroviseurs Miroirs dentaires Appareils photographiques Microscopes Télescopes Périscopes 3.2 La réfraction La réfraction est la déviation d un rayon lumineux lorsqu il passe d un milieu transparent à un autre (de l air à l eau ou vice versa, par exemple). 11
L explication de la réfraction : la lumière a des vitesses différentes dans milieux différents. Lorsque la vitesse change, la direction de propagation change aussi. Les lentilles sont une application courante de la réfraction. 3.3 Les lentilles Une lentille est une pièce faite d un matériau transparent, dont au moins une surface est courbe. Les lentilles permettent : de voir des objets éloignés d agrandir l image de petits objets Types de lentilles: convergentes : qui rapprochent les rayons lumineux qui les traversent; divergentes : qui éloignent les rayons lumineux qui les traversent. 12
Centre optique et axe principal d une lentille Le foyer d une lentille convergente Le foyer d une lentille convergente est le point où se rencontrent réellement les rayons lumineux réfractés lorsque les rayons incidents sont parallèles. Si les rayons incidents sont parallèles à l axe principal, les rayons réfractés passent par le foyer principal (F). À égale distance du centre optique de la lentille, mais de l autre côté, se trouve le foyer principal secondaire (F ). 13
Le foyer d une lentille divergente Le foyer d une lentille divergente est le point virtuel d où semblent provenir les rayons lumineux réfractés lorsque les rayons incidents sont parallèles. Pour une lentille divergente, le foyer principal (F) se trouve du côté d où provient les rayons. Les deux foyers, F et F se trouvent à la même distance du centre optique de la lentille. L image formée par une lentille convergente Lorsqu on veut déterminer l emplacement de l image formée par une lentille ainsi que le type d image obtenue, il faut tracer deux rayons à partir d un point de l objet observé. On les choisit parmi les trois rayons de base cidessous, dont on connaît la trajectoire. 1. Un rayon parallèle à l axe principal (1) est réfracté en passant par le foyer principal. 2. Un rayon passant par le centre optique (2) de la lentille n est pas dévié. 3. Un rayon passant par le foyer secondaire (3) est réfracté parallèlement à l axe principal. 14
Selon la position de l objet par rapport à la lentille, l image aura des caractéristiques différentes : réelle ou virtuelle droite ou renversée plus petite, plus grande ou égale à l objet position par rapport à la lentille Les différentes images formées dans une lentille convergente, selon la position de l objet par rapport à la lentille 15
L image formée par une lentille divergente L image s obtient à l aide de deux rayons choisis parmi les trois rayons de base cidessous : 1. Un rayon parallèle à l axe principal (1) est réfracté en semblant provenir du foyer principal. 2. Un rayon passant par le centre optique (2) de la lentille n est pas dévié. 3. Un rayon se dirigeant vers le foyer secondaire (3) est réfracté parallèlement à l axe principal. Les caractéristiques de l image ne dépendent pas de la position de l objet : toujours virtuelle toujours droite (non renversée) toujours plus petite que l objet toujours située entre le foyer principal et la lentille 16
Exemples de différences entre les images obtenues avec des lentilles convergentes et divergentes Applications des lentilles : verres correcteurs de la vision loupes objectifs d appareil photographique microscopes télescopes 17