Ondes et matière : Les ondes dans la matière - Physique Chimie - Terminale S

Prérequis

• Savoir ce qu'est une énergie.
• Avoir consulté les cours sur le son peut être un plus.

Objectifs

• Savoir décrire les ondes, définir et utiliser les grandeurs physiques associées.
• Connaitre des exemples d'ondes électromagnétiques et mécaniques et savoir les caractériser.
• Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière.

I. Une onde, qu'est-ce que c'est ?

Une onde est la propagation d'une perturbation. Elle transporte de l'énergie, mais ne transporte pas de matière. Sur son passage une onde va engendrer des variations des propriétés physiques locales du milieu. Elle se déplace avec une vitesse déterminée qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation.

Les caractéristiques qui permettent de différencier les ondes sont :

A. Le type d'onde

1. Progressive ou stationnaire

Une onde est soit progressive soit stationnaire. Elle est progressive si elle correspond à la propagation d'une perturbation dans l'espace au cours du temps. Par opposition, une onde stationnaire est la combinaison de plusieurs ondes et elle présente toujours une variation temporelle mais pas de propagation dans l'espace.

2. Longitudinale ou transversale

Les ondes longitudinales sont les ondes où les points de déplacement s'effectuent localement selon la direction de la perturbation. C'est par exemple le cas pour un ressort ou pour les ondes sonores. Les ondes transversales à l'inverse sont les ondes où les points du milieu de propagation se déplacent perpendiculairement au sens de la perturbation. C'est par exemple le cas pour un tremblement de terre.

3. Les dimensions de propagation

Les ondes progressives ont la propriété de pouvoir se propager dans toutes les directions qui lui sont offertes en partant de leur source. On distingue ainsi les ondes progressives à une, deux ou trois dimensions. Le milieu de propagation d'une onde peut être tridimensionnel.

• Une onde lumineuse par exemple se propage dans les différentes directions de l'espace.
• Une onde progressive à deux dimensions se propage dans les différentes directions d'un plan comme par exemple les perturbations à la surface de l'eau.
• Enfin une onde dans un milieu unidimensionnel se propage dans une seule direction de l'espace comme une onde sur un fil.

4. Mécanique ou non

Une onde se propage dans un milieu : si ce dernier est matériel, alors l'onde est qualifiée de mécanique. Comme exemple d'onde mécanique on peut citer les sons qui se propagent dans l'air ou les séismes dans le sol. Certaines ondes électromagnétiques, comme par exemple la lumière, n'ont pas besoin de support matériel et peuvent se propager dans le vide relatif.

Attention !

Il est important de se rappeler que la propagation d'une onde s'effectue sans transport de matières. En revanche la propagation de la perturbation s'accompagne d'un transport d'énergie.

B. La longueur d'onde

La longueur d'onde appelée aussi λ est la distance parcourue par l'onde au cours d'une période. Si on appelle c la célérité de l'onde et T sa période temporelle et f sa fréquence, on a :

Définition - Célérité :

Vitesse de propagation d'une onde électromagnétique dans le vide et d'une onde mécanique dans la matière.

Définition - Période :

La période d'un phénomène périodique est la plus petite durée séparant deux reproductions à l'identique du phénomène. On dit souvent qu'au cours d'une période le système effectue un cycle.

La longueur d'onde est la longueur d'un cycle complet. Un cycle complet est la distance minimale entre deux points semblables. Elle dépend de la célérité ou vitesse de propagation de l'onde dans le milieu qu'elle traverse. Lorsque l'onde passe d'un milieu à un autre, dans lequel sa célérité est différente, sa fréquence reste inchangée, mais sa longueur d'onde varie. Son unité est de base est le mètre (m).

C. La fréquence

La fréquence notée f mesure un phénomène périodique, il s'agit du nombre de fois que ce phénomène se reproduit par unité de mesure du temps. Plus le phénomène est fréquent, plus sa fréquence est grande. La fréquence est le nombre de cycles par unité de temps. Pour mesurer la fréquence d'une onde, on compte le nombre d'ondes complètes qui se forment en un point donné durant une seconde.

D. L'amplitude

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, et plus l'amplitude est grande. Dans le cas d'une onde transversale, il s'agit de la hauteur des crêtes.

II. Manifestation des ondes mécaniques dans la matière

A. Les séismes

Les ondes sismiques sont des ondes mécaniques qui se propagent dans la matière terrestre à partir d'un foyer d'ondes sismiques qui est plus simplement appelé le « foyer ». Le point qui se trouve à la verticale du foyer est l'épicentre du séisme. À partir du foyer, les ondes se propagent dans toutes les directions de l'espace, ce sont des ondes mécaniques à trois dimensions.

La magnitude mesure l'énergie dégagée par le séisme. On utilise l'échelle de Richter pour indiquer la valeur de la magnitude.

Échelle de Richter

• Magnitude < 1,9 : Micro tremblement de Terre
• Magnitude de 2,0 à 2,9 : Généralement non ressenti mais détecté / enregistré
• Magnitude de 3,0 à 3,9 : Souvent ressenti mais causant rarement des dommages
• Magnitude de 4,0 à 4,9 : Secousses notables d'objets à l'intérieur des maisons, bruits d'entrechoquement. Dommages importants peu communs.
• Magnitude de 5,0 à 5,9 : Peut causer des dommages majeurs à des édifices mal conçus dans des zones restreintes. Cause de légers dommages aux édifices bien construits.
• Magnitude de 6,0 à 6,9 : Peut être destructeur dans des zones allant jusqu'à 180 km à la ronde si elles sont peuplées.
• Magnitude de 7,0 à 7,9 : Peut provoquer des dommages modérés à sévères dans des zones plus vastes
• Magnitude de 8,0 à 8,9 : Peut causer des dommages sérieux dans des zones à des centaines de kilomètres à la ronde
• Magnitude de 9,0 à 9,9 : Dévaste des zones de plusieurs milliers de kilomètres à la ronde

B. La houle

La houle est le mouvement ondulatoire que l'on peut observer sur la surface de la mer causée par le vent. Il s'agit d'une onde mécanique bidimensionnelle car elle se propage dans un milieu matériel en deux dimensions. Sa longueur d'onde est égale à la distance entre deux vagues et son amplitude correspond à la hauteur des vagues par rapport au niveau de la mer...

C. Le son

Le son est produit par une perturbation qui par vibration de la matière se déplace dans toute les directions que le milieu lui permet. Cette onde nécessite un milieu matériel pour se propager, elle est donc mécanique. En effet, le son peut se propager dans de nombreux milieux mais pas dans le vide.

Pour un son, plus l'amplitude de l'onde sonore est grande, et plus l'intensité du son est forte. L'intensité, aussi appelé le volume, permet de distinguer la puissance du son. Elle est notée I et s'exprime en Watt par mètre carré. D'autre part, le niveau sonore L est lié à l'intensité I et I₀ le seuil d'audibilité par une échelle logarithmique :

Le niveau sonore est une grandeur sans dimension, s'exprime en décibel acoustique et permet de quantifier la sensation sonore.

Le petit + dans ta copie

N'hésitez pas à trouver vos propres exemples d'ondes en vous inspirant de votre vie, on est entouré de transfert d'énergie !

Pour aller plus loin ...

Consultez les cours sur les rayonnements dans l'Univers pour obtenir plus d'exemples.