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⚗️ Physique-Chimie3èmeCours
Ondes et signaux
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Cours
Ondes et signaux
1. Qu'est-ce qu'une onde ?
Une onde est une perturbation qui se propage dans l'espace, transportant de l'énergie sans transporter de matière.
Analogie : quand tu jettes un caillou dans l'eau, les vagues s'éloignent du point d'impact. Mais l'eau elle-même ne « voyage » pas : elle monte et descend sur place. C'est la perturbation qui se déplace, pas la matière.
Toute onde se caractérise par une vitesse de propagation :
| Grandeur | Symbole | Unité |
|---|---|---|
| Vitesse de propagation | v | m/s |
| Distance parcourue | d | m |
| Durée de propagation | t | s |
Il existe deux grandes familles d'ondes :
2. Les ondes mécaniques
Le son
- Produit par la vibration d'un objet (corde de guitare, membrane d'un haut-parleur)
- A besoin d'un milieu matériel pour se propager → pas de son dans le vide (dans l'espace, personne ne t'entend crier !)
- Vitesse variable selon le milieu :
| Milieu | Vitesse du son |
|---|---|
| Air (20°C) | ≈ 340 m/s |
| Eau | ≈ 1 500 m/s |
| Acier | ≈ 5 000 m/s |
Le son se propage plus vite dans les solides et les liquides que dans les gaz, car les particules y sont plus proches.
Les ondes sismiques
- Produites par une rupture dans l'écorce terrestre (séisme)
- Se propagent dans le sol à plusieurs km/s
- Les sismographes détectent ces ondes pour localiser l'épicentre
3. Les ondes électromagnétiques
Propriétés
Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de milieu matériel : elles se propagent dans le vide. C'est ainsi que la lumière du Soleil nous parvient à travers l'espace.
Dans le vide, toutes les ondes électromagnétiques voyagent à la même vitesse :
C'est la vitesse de la lumière, la vitesse maximale dans l'Univers.
Le spectre électromagnétique
Les ondes électromagnétiques se distinguent par leur fréquence. On les classe dans un spectre :
La lumière visible (les couleurs de l'arc-en-ciel, du rouge au violet) n'est qu'une toute petite partie du spectre, entre l'infrarouge et l'ultraviolet.
4. Les vitesses à connaître
| Onde | Milieu | Vitesse | À retenir |
|---|---|---|---|
| Son | Air (20°C) | ≈ 340 m/s | ~1 km en 3 s |
| Lumière | Vide | c ≈ 3 × 10⁸ m/s | ~300 000 km/s |
C'est pourquoi lors d'un orage, tu vois l'éclair avant d'entendre le tonnerre : la lumière arrive quasi instantanément, le son met environ 3 secondes par kilomètre.
5. Applications : détecter avec une onde
Le principe est toujours le même : on envoie une onde, elle se réfléchit sur un obstacle, et on analyse le signal de retour.
Le principe de l'écho
Formule de l'écho : l'onde fait un aller-retour. La distance à l'obstacle est donc :
(On divise par 2 car le temps mesuré correspond au trajet aller et retour.)
Applications
| Application | Type d'onde | Principe |
|---|---|---|
| Sonar | Ultrason (mécanique) | Mesurer la profondeur de l'océan, détecter des bancs de poissons |
| Échographie | Ultrason (mécanique) | Ultrasons réfléchis par les organes → image médicale (grossesse, cœur) |
| Radar | Micro-ondes (EM) | Détecter des avions, mesurer la vitesse des voitures |
| Radiographie | Rayons X (EM) | Les rayons X traversent les tissus mous mais sont absorbés par les os → image |
| GPS | Ondes radio (EM) | Satellites envoient un signal → le téléphone calcule sa distance à chaque satellite → position |
| Wi-Fi, 4G/5G | Micro-ondes/radio (EM) | Transport de données numériques entre antenne-relais et téléphone |
6. Exercices type brevet
Exercice 1 : l'orage (éclair et tonnerre)
Lors d'un orage, tu vois l'éclair puis tu entends le tonnerre 6 secondes plus tard. À quelle distance se trouve l'orage ? (Vitesse du son dans l'air : 340 m/s)
Raisonnement : la lumière arrive quasi instantanément (c = 3 × 10⁸ m/s → temps négligeable). Le décalage de 6 s correspond au temps mis par le son pour parcourir la distance.
Formule : d = v × t
Calcul : d = 340 × 6 = 2 040 m ≈ 2 km
Astuce du quotidien : compte les secondes entre l'éclair et le tonnerre, divise par 3, et tu as la distance en km (car le son parcourt ~1 km en ~3 s).
Exercice 2 : le sonar d'un bateau
Un bateau envoie une onde ultrasonore vers le fond marin. L'écho revient après 0,4 s. Quelle est la profondeur ? (Vitesse du son dans l'eau : 1 500 m/s)
Attention : le temps de 0,4 s correspond à l'aller-retour !
Formule : d = v × t / 2
Calcul : d = 1 500 × 0,4 / 2 = 300 m
Conclusion : la profondeur est de 300 m.
Exercice 3 : distance Terre-Lune
Un faisceau laser est envoyé de la Terre vers la Lune. Le signal revient après 2,56 s. Quelle est la distance Terre-Lune ? (c = 3 × 10⁸ m/s)
Formule : d = c × t / 2
Calcul : d = 3 × 10⁸ × 2,56 / 2 = 3,84 × 10⁸ m = 384 000 km
C'est la vraie distance Terre-Lune ! Cette mesure a été rendue possible grâce à des miroirs posés sur la Lune par les missions Apollo.
📌 À retenir
- Deux familles d'ondes : mécaniques (besoin d'un milieu : son, séisme) et électromagnétiques (se propagent dans le vide : lumière, radio, Wi-Fi, rayons X).
- Vitesse du son dans l'air ≈ 340 m/s. Vitesse de la lumière dans le vide : c ≈ 3 × 10⁸ m/s.
- Le spectre électromagnétique : radio → micro-ondes → IR → visible → UV → rayons X → gamma. La lumière visible n'en est qu'une toute petite partie.
- Formule : v = d / t. Pour un écho (aller-retour) : d = v × t / 2.
- Applications : sonar et échographie (ondes sonores) ; radar, GPS, radiographie, télécommunications (ondes électromagnétiques).
- Orage : compter les secondes entre l'éclair et le tonnerre, diviser par 3 → distance en km.
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