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Ondes

~14 min de lecture 5 sections
← Module : Ondes et lumière

Ce que tu vas travailler

Décrire la propagation et expliquer les phénomènes lumineux.

Prérequis : Proportionnalité, angles et fonctions sinusoïdales.

Lis les explications, refais les exemples sur papier, puis cherche les exercices avant d’ouvrir leur correction. La fiche de synthèse, lorsqu’elle est disponible, sert à réviser après le cours.

Une vague passe, un bouchon monte puis redescend — mais il reste au même endroit. C'est toute l'idée de l'onde : ce qui voyage, c'est l'énergie, jamais la matière.

Échographie, ECG, radiographie, laser : la médecine est saturée d'ondes. Le chapitre tient dans une relation, v = λf, et dans une discipline stricte sur les unités.

Sommaire du cours

1Une onde : de l'énergie qui voyage, pas de la matière

Jette un caillou dans un étang : des cercles s'éloignent du point d'impact. Pourtant, un bouchon posé sur l'eau ne part pas avec la vague — il monte et descend sur place. C'est la définition même d'une onde : une perturbation qui se propage en transportant de l'énergie, mais sans transport de matière. On distingue deux familles selon la direction de la vibration par rapport à la direction de propagation :

TypeDirection de vibrationExemples
Transversaleperpendiculaire à la propagationcorde secouée, vagues, lumière
Longitudinaleparallèle à la propagationson, ressort comprimé puis relâché

Le test de la ola

Dans un stade, la ola parcourt les tribunes alors que chaque spectateur se lève et se rassoit sans changer de siège : une onde transversale parfaite. En cas de doute, demande-toi : « dans quel sens ça vibre, dans quel sens ça avance ? »

🧩 Une vague passe sous un bouchon de pêche. Le bouchon est-il emporté vers la plage avec la vague ?

Facile

🧩 Le son dans l'air est-il une onde transversale ou longitudinale ? Justifie.

Intermédiaire

2Période et fréquence : décrire l'oscillation

Une onde répète le même motif dans le temps. La période T est la durée d'un cycle complet (en secondes) ; la fréquence f est le nombre de cycles par seconde (en hertz, Hz). Ce sont deux faces de la même pièce :

T=1ff=1T\displaystyle T = \dfrac{1}{f} \qquad f = \dfrac{1}{T}
Période et fréquence sont inverses l'une de l'autre.

Plus la fréquence est élevée, plus la période est courte : une onde à 1 000 Hz accomplit 1 000 oscillations chaque seconde, chacune durant 1 ms.

Les multiples à maîtriser

1 kHz = 10³ Hz, 1 MHz = 10⁶ Hz, 1 GHz = 10⁹ Hz — et côté temps : 1 ms = 10⁻³ s, 1 µs = 10⁻⁶ s. La moitié des erreurs du chapitre sont des erreurs de conversion, pas de physique.

🧩 Un cœur au repos bat à 75 battements par minute. Quelle est la fréquence cardiaque en hertz, et la période d'un battement ?

Facile

🧩 Une onde a une période de 20 ms. Quelle est sa fréquence ?

Intermédiaire
Le réflexe concours⏱ 15 s — période ou fréquence ?
  1. 1T est un temps (en secondes) : la durée d'une oscillation complète.
  2. 2f est un nombre par seconde (en hertz) : combien d'oscillations en 1 s.
  3. 3Elles sont inverses : f = 1/T. Si T double, f est divisée par deux.

3La longueur d'onde et la relation v = λf

λA
La longueur d'onde λ sépare deux crêtes ; l'amplitude A est la hauteur par rapport au repos.

L'onde se répète aussi dans l'espace : la longueur d'onde λ est la distance entre deux crêtes successives — autrement dit, la distance que l'onde parcourt pendant une période. De là découle la relation reine du chapitre :

v=λf\displaystyle v = \lambda fλ=vf=v×T\displaystyle \lambda = \dfrac{v}{f} = v \times T
La carte d'identité de toute onde : vitesse = longueur d'onde × fréquence.

Fais varier la fréquence et la vitesse, et observe comment la longueur d'onde s'adapte :

🔧 Un son dans l'air (v = 340 m/s) sur une fenêtre de 1 m. Monte la fréquence : l'onde se resserre.

λ = v/f = 340/340 = 1 m  |  T = 1/f = 2,94 ms

La fréquence fait la hauteur du son (grave/aigu), l'amplitude fait le volume — deux réglages indépendants.

La vitesse appartient au milieu, la fréquence à la source

La vitesse d'une onde dépend du milieu (air, eau, tissu), pas de sa fréquence. Quand une onde change de milieu, sa fréquence ne change pas (elle est imposée par la source) : c'est la longueur d'onde qui s'ajuste via λ = v/f. Retiens : f constante, v et λ changent ensemble.

🧩 Le la du diapason vibre à 440 Hz. Quelle est sa longueur d'onde dans l'air (v = 340 m/s) ?

Intermédiaire

🧩 Une sonde d'échographie émet des ultrasons à 5 MHz dans des tissus mous où v ≈ 1 540 m/s. Calcule la longueur d'onde.

Concours
Le réflexe concours⏱ 20 s — appliquer v = λf
  1. 1Cherche ce qui est fixe : dans un même milieu, c'est la vitesse v.
  2. 2Changement de milieu ? La fréquence ne change jamais (elle vient de la source) : c'est λ qui s'adapte.
  3. 3Convertis d'abord : les nm et les MHz font perdre plus de points que la formule elle-même.

4Le son : une onde longitudinale

Le son est une succession de compressions et de dilatations de l'air : une onde longitudinale qui a besoin d'un milieu matériel — dans le vide, aucun son ne se propage. Dans l'air, sa vitesse vaut environ 340 m/s ; elle augmente dans l'eau (≈ 1 500 m/s) et dans les solides. Deux caractéristiques à ne pas confondre :

  • la hauteur d'un son est sa fréquence : grave en bas (20 Hz), aigu en haut (20 000 Hz) — c'est la plage audible humaine ;
  • la force d'un son est son intensité (en W/m²), que l'oreille perçoit sur une échelle logarithmique : le niveau sonore en décibels.
L=10log⁡(II0)\displaystyle L = 10 \log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)I0=10−12 W/m2\displaystyle I_0 = 10^{-12} \ \text{W/m}^2
Le niveau sonore est un logarithme — revois le chapitre sur les logarithmes.

Conséquence directe : multiplier l'intensité par 10, c'est ajouter 10 dB ; la multiplier par 100, c'est ajouter 20 dB. Une conversation (60 dB) transporte ainsi 10 000 fois plus d'énergie qu'un chuchotement (20 dB). Retiens les jalons : 0 dB seuil d'audition, 60 dB conversation, 120 dB seuil de douleur.

Pour le futur médecin

Au-delà de 20 kHz, l'oreille n'entend plus : ce sont les ultrasons. L'échographie en exploite la réflexion : une sonde (2 à 15 MHz) émet des impulsions qui rebondissent sur les interfaces entre tissus, et le délai de retour donne la profondeur — imagerie sans aucun rayonnement ionisant, d'où son rôle central en obstétrique. À l'autre bout, l'audiogramme mesure ton seuil d'audition en dB pour chaque fréquence : une presbyacousie ou un traumatisme sonore se lisent comme une remontée du seuil sur les aigus. Les décibels et v = λf sont littéralement des outils cliniques.

🧩 Tu vois un éclair, puis tu entends le tonnerre 3 s plus tard. À quelle distance l'orage se trouve-t-il (v du son = 340 m/s, lumière quasi instantanée) ?

Intermédiaire

🧩 Une salle de classe présente une intensité sonore I = 10⁻⁵ W/m². Quel est le niveau sonore en décibels ?

Concours

Vu au concoursLe classique du changement de milieu

« Une onde passe de l'air à l'eau : que devient sa longueur d'onde ? » Réflexe — la fréquence est imposée par la source et ne bouge pas. Comme v augmente dans l'eau, λ augmente aussi.

5La lumière et le spectre électromagnétique

RadioMicro-ondesInfrarougeVisibleUVRayons XGamma γλ grandeλ minusculefréquence croissante →
Une seule famille d'ondes : seule la longueur d'onde change (grande à gauche, minuscule à droite).

La lumière est une onde électromagnétique : contrairement au son, elle n'a besoin d'aucun support et se propage même dans le vide, à la vitesse record :

c=3×108 m/s\displaystyle c = 3 \times 10^{8} \ \text{m/s}f=cλ\displaystyle f = \dfrac{c}{\lambda}
La vitesse de la lumière dans le vide, et la fréquence qui s'en déduit.

L'œil humain ne perçoit qu'une fenêtre étroite du spectre, entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge) :

DomaineLongueur d'ondeAu quotidien
Ultraviolet (UV)< 400 nmcoups de soleil, désinfection
Visible400 – 800 nmdu violet au rouge
Infrarouge (IR)> 800 nmchaleur rayonnée, télécommandes, thermographie

Courte longueur d'onde = haute fréquence = plus d'énergie

Comme f = c/λ, plus λ est courte, plus la fréquence — donc l'énergie transportée — est grande. C'est pourquoi les UV endommagent la peau et l'ADN alors que l'infrarouge ne fait que chauffer. Au concours, on adore te faire classer visible, UV et IR par fréquence ou par énergie : raisonne toujours en « λ courte ↔ f grande ».

🧩 Le Soleil est à 1,5×10¹¹ m de la Terre. Combien de temps sa lumière met-elle pour nous parvenir ?

Facile

🧩 Une lumière rouge a une longueur d'onde de 600 nm dans le vide. Calcule sa fréquence.

Concours

Les erreurs qui coûtent des points

Confondre période et fréquence

T (en s) est la durée d'un cycle, f (en Hz) le nombre de cycles par seconde : T = 1/f.

Oublier les conversions dans v = λf

MHz → Hz, nm → m, ms → s AVANT le calcul : c'est le piège n°1 du chapitre.

Faire changer la fréquence avec le milieu

quand l'onde change de milieu, f reste fixée par la source : c'est λ qui change.

Croire que la matière voyage avec l'onde

le bouchon oscille sur place ; seule l'énergie se propage.

Additionner les décibels comme des intensités

l'échelle est logarithmique : +10 dB = intensité ×10, +20 dB = ×100.

Faire propager le son dans le vide

le son exige un milieu matériel ; la lumière, elle, traverse le vide à c.

Classer le son parmi les ondes transversales

le son est longitudinal : l'air vibre parallèlement à la propagation.

Points clés à retenir

  • Une onde transporte de l'énergie sans transporter de matière.
  • Transversale : vibration perpendiculaire à la propagation (corde, lumière) ; longitudinale : vibration parallèle (son).
  • T = 1/f : période en secondes, fréquence en hertz ; attention aux multiples (kHz, MHz).
  • v = λf : la longueur d'onde est la distance parcourue pendant une période ; v dépend du milieu, f de la source.
  • Son : onde longitudinale à ≈ 340 m/s dans l'air, audible de 20 Hz à 20 kHz ; au-delà, les ultrasons de l'échographie.
  • Niveau sonore : L = 10 log(I/I₀) avec I₀ = 10⁻¹² W/m² — échelle logarithmique, +10 dB = intensité ×10.
  • Lumière : onde électromagnétique à c = 3×10⁸ m/s dans le vide ; visible de 400 à 800 nm, entre UV (énergétique) et IR (chaleur).

Le chapitre en 8 points

Récap animé— Ondes en 8 points

01 / 08

Une onde

transporte de l'énergie sans transporter de matière : le bouchon oscille sur place.

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