Ondes

Une onde est une perturbation qui se propage et transporte de l’énergie ou de l’information sans transporter nécessairement la matière sur la même distance. Les particules du milieu peuvent osciller localement tandis que la forme de l’onde se déplace.

Décrire une onde périodique

v = fλ et T = 1/f

λ est la longueur d’onde, f la fréquence, T la période et v la vitesse de propagation. La fréquence est fixée par la source ; la vitesse dépend du milieu et du type d’onde.

Quand une onde passe dans un autre milieu et que sa fréquence reste la même, c’est sa vitesse et donc sa longueur d’onde qui changent.

L’amplitude mesure l’importance de la perturbation ; la longueur d’onde mesure sa répétition dans l’espace. La fréquence indique combien de cycles passent en un point chaque seconde.

Ondes transversales et longitudinales

Dans une onde transversale, le déplacement local est perpendiculaire à la direction de propagation. Sur une corde tendue, chaque petit segment monte et descend tandis que la perturbation avance le long de la corde.

Dans une onde longitudinale, le déplacement est parallèle à la propagation. Le son dans l’air se manifeste par des successions de compressions et de raréfactions.

Le type d’onde décrit le mouvement local du milieu par rapport à la propagation. Une onde sur une corde est transversale ; le son dans l’air est principalement longitudinal.

Superposition et interférence

Lorsque deux ondes se rencontrent dans un milieu linéaire, leurs déplacements s’additionnent. Deux crêtes peuvent renforcer momentanément l’amplitude ; une crête et un creux peuvent se compenser partiellement ou totalement.

Après leur rencontre, les ondes continuent généralement leur propagation. L’interférence ne signifie donc pas que les ondes se détruisent définitivement.

Réflexion et ondes stationnaires

Une onde peut se réfléchir sur une limite. La superposition de l’onde incidente et de l’onde réfléchie peut produire une onde stationnaire avec des nœuds de faible amplitude et des ventres de forte amplitude.

Sur une corde fixée aux deux extrémités, seules certaines longueurs d’onde sont compatibles avec la longueur de la corde. Cela conduit à des fréquences propres et à des harmoniques.

Amplitude, énergie et vitesse : trois notions différentes

Augmenter l’amplitude d’une onde augmente généralement l’énergie transportée, mais ne signifie pas que l’onde se propage plus vite. Dans un milieu linéaire donné, la vitesse dépend surtout des propriétés du milieu.

Pour le son, une fréquence plus élevée correspond à une hauteur plus aiguë, tandis qu’une amplitude plus grande correspond généralement à une intensité plus forte. Ces deux propriétés ne doivent pas être confondues.

Relier fréquence, période et longueur d’onde

À vitesse de propagation fixée, une fréquence plus élevée correspond à une longueur d’onde plus courte.

Fréquence f (Hz) Vitesse v (m s⁻¹)

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Exercices résolus

1. Longueur d’onde sonore

Un son de 440 Hz se propage à 343 m s⁻¹. Quelle est sa longueur d’onde ?

Solution

λ = v/f = 343/440 ≈ 0,780 m.

2. Période

Quelle est la période d’une onde de fréquence 50 Hz ?

Solution

T = 1/f = 1/50 = 0,020 s.

3. Changement de milieu

Une onde garde la même fréquence mais sa vitesse est divisée par deux en entrant dans un nouveau milieu. Que devient sa longueur d’onde ?

Solution

Comme λ = v/f et que f reste constante, la longueur d’onde est divisée par deux.