Introduction

Il existe trois types différents d'ondes :

  • Mécanique
  • Électromagnétique
  • Gravitationnelle

Les ondes magnétiques nécessitent une matière qui se déforme afin de se propager. Ce matériau a la capacité recouvrer son état initial grâce aux forces de restauration qui inversent la déformation. Les ondes électromagnétiques quant à elles n'ont pas besoin de support pour se déplacer : ce sont des oscillation périodiques de champs électriques et mécaniques qui peuvent alors se déplacer dans le vide. Les ondes gravitationnelles n'ont plus de support pour se déplacer puisque ce sont les déformations de la géométrie de l'espace-temps qui se propagent.

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Quelques notions et définitions

Onde

Une onde est une déformation ou une vibration qui se propage dans un milieu défini.

Propagation d'une onde

Un onde se propage dans un milieu qui lui permet car la propagation résulte de la mise en mouvement d'une particule dans le temps mais aussi dans l'espace  par rapport au milieu. Cela est possible uniquement si la source est dans un état vibratoire. On peut caractériser la propagation d'une onde par sa vitesse de propagation à l'aide la formule suivante : [c=lambdatimes f]

  • c la célérité de l'onde
  • λ la longueur d'onde
  • f la fréquence de l'onde

A savoir

La vitesse de la lumière est de 300 000 km.s-1 et la célérité d'une onde sonore est de 344 m.s-1

Comment calculer la vitesse de la lumière ? Saviez-vous que le mètre est défini par la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 seconde ?

Onde stationnaire

Une onde dite stationnaire correspond à la propagation simultanée et dans des sens opposés de plusieurs ondes de même fréquence et de même amplitude dans un même milieu. Ainsi, on observera une figure dont certains points sont fixes, appelés nœuds de pression, dans le temps. Il est alors possible d'observer une vibration stationnaire et d'intensité différente en chaque point observé au lieu de pouvoir observer une onde qui se propage.

Onde mécanique progressive

Une onde mécanique progressive correspond a un phénomène de perturbation locale dans un milieu matériel. Ainsi, pour une onde mécanique, on ne peut observer de déplacement de matière mais un transport d'énergie. Vous pouvez en savoir plus sur les ondes mécaniques progressives en visitant notre article dédié à ce sujet.

Déplacement d'énergie

L'onde lorsqu'elle se propage s'accompagne d'une modification temporaire des propriétés du milieu comme la position, la vitesse et la distance entre les particules constitutives du milieu modifié. Ainsi, l'énergie, qu'elle soit potentielle ou cinétique, varie lorsque le signal est atteint. Notez tout de même que la variation d'énergie est temporaire et se déplace de proche en proche : elle ne dure que le temps de passage de l'onde.

La dimension d'une onde

Avant d'expliquer les dimensions d'une onde, il faut savoir qu'une onde progressive à la propriété de se propager dans toutes les directions offertes par la source de l'onde.

Onde progressive à une dimension

On dit d'une onde quelle présente une dimension quand elle est définie par une direction de propagation et par un sens de déplacement

Onde progressive à deux dimensions

On dit d'une onde quelle présente deux dimensions lorsque la propagation a lieu dans différentes direction d'un plan, c'est-à-dire un espace à deux dimensions.

Onde progressive à trois dimensions

On dit d'une onde quelle présente trois dimensions lorsque la propagation a lieu dans les différentes directions de l'espace.

Exemples

Il existe différentes façons de mettre en valeur des ondes :

  • Onde à une dimension
    • Corde vibrante
    • Fibre optique
  • Deux dimensions
    • Surface d'un plan d'eau
    • Table d'harmonie d'un instrument de musique
  • Trois dimensions
    • La propagation du son de l'orgue dans le volume intérieur d'une église
    • Interférences lumineuses dans un espace

Pourquoi l'eau présente-t-elle des ridules lorsqu'on y jette une pierre ? Vous pouvez ici observer une onde à deux dimensions observable sur un plan de surface d'eau.
L'onde se déplace depuis la source de la perturbation vers l'extérieur tout en déformant la surface.

Onde transversale

On dit d'une onde qu'elle est transversale lorsque la direction du mouvement des éléments du milieu de propagation est orthogonale à la direction de propagation.

Onde longitudinale

On dit d'une onde qu'elle est longitudinale lorsque la direction du mouvement des éléments du milieu de propagation est parallèle à la direction de propagation.

Milieu de propagation

Le milieu de propagation d'une onde doit être un milieu matériel constitué de particules en interaction de telle sorte que ces particules semblent reliées entre-elles par des petits ressorts tendant ces particules à retrouver leur position d'équilibre. Ainsi, tout déplacement d'une particule entraînera le déplacement des particules voisines et ainsi de suite. Cet ensemble constitue alors un milieu élastique quasi-continu.

Etudier une onde à une dimension avec l'échelle de perroquet

Comment réussir sont TIPE sur les ondes ? Exemple d'une échelle de perroquet horizontale.
Source : jeulin.fr

Dispositif expérimental

Fixez perpendiculairement à l'axe d'un ruban élastique des tiges sur lesquelles des boules sont fixées aux extrémités.

Expérience

Déplacez une tige et laissez la revenir à la position d'équilibre

Observation et analyse

La perturbation se propage de façon orthogonale à la direction de la propagation A noter que, lorsque votre main écarte la barre de sa position d'équilibre, elle fournit de l'énergie à cette tige. Cette énergie est libérée lorsque la tige revient à sa position d'équilibre et donne son énergie à la barre suivante qui va, à son tour s'écarter de sa position d'équilibre. Ce motif va alors se répéter.

Questions et réponses sur l'expérience

  • Quel paramètre permet de décrire la perturbation qui se propage ?

Le paramètre est l'angle de la tige par rapport au plan initial ou encore la distance qui sépare la tige du plan initial.

  • L'onde progressive est-elle longitudinale ou transversale ?

L'onde est transversale car la direction du mouvement des éléments du milieu de propagation est perpendiculaire à la direction de propagation.

  • Qu'est-ce-qu'une onde à une dimension ?

On dit qu'une onde est à une dimension quand la position d'un point du milieu est parfaitement déterminé par son abscisse.

  • De quoi dépend la célérité d'une onde ?

La célérité de l'onde dans ce dispositif dépend de l'inertie du système, c'est à dire de la masse des boules. Cela signifie que si la masse des boules augmente alors la célérité de l'onde diminue. Mais la célérité de l'onde dépend également de la tension du ruban. En effet, si la tension du ruban augmente alors la célérité fait de même.

Un peu d'exercices

Exercice 1

Dans le document qui suit, les phénomènes de propagation sont mis en évidence à l'aide d'une "échelle de perroquet" Ce dispositif est toujours d'actualité. Le but de cet exercice est de valider l'opportunité d'un tel dispositif. On suppose que les grandeurs physiques varient faiblement quand on passe d'une tige d'indice n à une tige d'indice n+1, ce qui permet de considérer les grandeurs physiques comme des fonctions continues de z, la distance entre deux tiges étant notée dz.

  1. Pour une tige d’abscisse z, exprimer la relation entre l'angle de rotation θ(z,t) par rapport à la position d'équilibre, et la différence des couples de torsion de part et d'autre de la tige.
  2. Exprimer la relation entre un couple de torsion et la différence d'angle entre deux tiges consécutives.
  3. En déduire les équations vérifiée par θ(z,t). Conclure.

Exercice 2

On utilisera une échelle de perroquet composé de 41 barreaux répartis de façon régulière sur un ruban d'acier de 2,10 mètres de longueur. Ainsi, à l'instant t=0, le barreau est écarté puis ramené à sa position d'équilibre. Élongation angulaire au fil du temps

t (en ms)0100200300400500
θ (en °)0204027130

  1. Expliquez ces élongations
  2. Est-il possible d'avoir une élongation angulaire négative ? Si oui à quel instant t et pourquoi ?

Exercice 3

Proposez un dispositif expérimental reposant sur l'échelle de perroquet afin de déterminer la célérité d'une onde et mettez-le en place pour vérifier votre réponse ?

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !