Cours en ligne Physique-Chimie en Terminale

Chapitres Physique-Chimie en Terminale Générale

Cours Phénomènes Ondulatoires terminale générale

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Résumé de cours Exercices et corrigés

Cours en ligne de Physique-Chimie en Terminale

En cas de difficulté sur les phénomènes ondulatoires après ce cours, les cours particuliers de physique chimie vous permettront de progresser jusqu’aux résultats du bac. Même avant cela, les cours particuliers vous pousseront à vous dépasser à pourquoi pas à viser les meilleures prépa du classement des prépa MP.

A- Ondes progressives en Terminale

1. Définition d’une onde progressive en Terminale

Une perturbation qui se propage dans un milieu forme est une onde progressive Une onde progressive ne transporte pas de matière, mais elle transporte de l’énergie. En physique, une grandeur particulière est associée à l’onde, elle mesure la perturbation, elle dépend de la position du point où on se place et de la date $t$ .

2. Retard de l’onde en Terminale

Lorsqu’une onde se propage, les mêmes perturbations affectent des points distincts avec un délai temporel. Si l’onde touche le point $A$ avant le point $B$ , le retard de l’onde entre ces deux points est

$\tau=t_B-t_A$

où $t_A$ et $t_B$ sont les dates auxquelles la même perturbation affecte successivement les deux points.

Voici l’exemple d’une corde vibrante photographiée aux deux dates successives :

Si le milieu qui sépare les deux points est homogène (les propriétés physiques sont partout les mêmes), alors la célérité de l’onde mécanique est

$v$ = $\displaystyle {\frac {AB}{\tau}}$

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3. Onde mécanique en Physique

Une onde mécanique progressive engendrée par une source où se produit une perturbation est périodique.

En tout point de l’espace affecté par cette onde, la perturbation sera périodique, de même période que celle de la source, on peut donc définir la période de l’onde indépendamment du point où elle est mesurée.

La fréquence de l’onde est l’inverse de sa période

$\displaystyle{f=\frac1{T}}$

Elle est exprimée en hertz (Hz).

4. La longueur d’onde en Terminale

Lorsqu’on représente, à une date donnée, la perturbation d’une onde progressive et périodique le long d’un axe de propagation en fonction de l’abscisse $x$ sur cet axe, on observe une courbe périodique.

La période spatiale $\lambda$ est aussi appelée la longueur d’onde.

Deux points distants de $\lambda$ sur l’axe ont le même état vibratoire à tout instant.

Les ondes progressives périodiques présentent donc une double périodicité :

* temporelle : un point fixé subit la même perturbation toutes les $T$ secondes

* spatiale : à une date fixée, deux points distants de $\lambda$ subissent la même perturbation.

Une perturbation particulière d’une onde périodique affecte un point $M$ d’abscisse $x$ à la date $t$ .

À la date $t+T$ , $T$ secondes plus tard, la même perturbation affectera $M$ d’abscisse $x$

La perturbation qui affectait $M$ à la date $t$ s’est déplacée de $vT$ , elle affecte donc le point $P$ d’abscisse $x+vT$

Les points $M$ et $P$ sont donc dans le même état vibratoire, la distance qui les sépare est donc égale à la longueur d’onde $\lambda=vT$

Cette relation fondamentale lie la période temporelle, la période spatiale et la célérité de l’onde.

On peut aussi l’écrire

$\displaystyle{\lambda=\frac{v}{f}}$

5.Cas particulier : les ondes sinusoïdales en Terminale

Les ondes mécaniques progressives sinusoïdales sont un cas particulier important d’ondes périodiques.

La perturbation est une fonction sinusoïdale :

* en un point $M$ fixé, c’est une fonction sinusoïdale du temps, de période $T$

* à une date $t$ fixée, sur un axe de propagation, c’est une fonction sinusoïdale de $x$ , de période $\lambda$ .

On démontre, à plus haut niveau, qu’une onde sinusoïdale est « pure » (un musicien exercé entendra un son unique pour une onde sonore sinusoïdale), et qu’une onde périodique peut être considérée comme une superposition d’ondes sinusoïdales (on parle de son composé).

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B. Atténuation acoustique en Terminale

1. Intensité sonore en Terminale Générale

Un son est émis au point E, avec une puissance $P$ exprimée en watts (W).

En un point $M$ distinct de E, la puissance $P$ se dilue sur une surface d’aire $S$ .

L’intensité sonore en $M$ vaut

$I=\displaystyle{\frac{P}{S}}$

Elle est exprimée en watts par mètre carré ( $\mathrm{W\cdot m^{-2}}$ ).

* Le niveau d’intensité sonore vaut

$L=10\log\left(\displaystyle{\frac{I}{I_0}}\right)$

où $I_0=1,0\cdot 10^{-12}~\mathrm{W\cdot m^{-2}}$ est une intensité sonore de référence, correspondant à l’intensité sonore du minimum d’audibilité.

$L$ est exprimée en décibels (dB).

On peut retenir qu’en dessous de 80 dB, l’oreille n’est pas affectée, il y a risque au-dessus de 80 dB, danger au-dessus de 90 dB, douleur au-dessus de 120 dB.

2. Atténuation sonore en Terminale

L’atténuation sonore peut être due

* à l’éloignement de la source sonore : on parle d’atténuation géométrique

* ou à l’interposition d’un matériau absorbant : on parle d’atténuation par absorption.

Si on note $L$ le niveau d’intensité sonore en un point M et $L'$ en un point M’, l’atténuation acoustique entre $M$ et $M'$ vaut

$A=L-L'=10\log\displaystyle{\frac{I}{I'}}$

Elle est exprimée en décibels (dB)

C. Diffraction dans les phénomènes ondulatoires en Terminale

1. Définition de la diffraction en Terminale

Lorsqu’une onde franchit une ouverture ou doit contourner un obstacle dont la taille $a$ est comparable ou inférieure à la longueur d’onde $\lambda$ , alors il y a une modification de tout ou partie de la direction de propagation de l’onde : ce phénomène est appelé la diffraction.

2. Faisceau diffracté en Terminale

L’observation précise de la diffraction fait apparaître un faisceau diffracté principal de forme trapézoïdale ou triangulaire.

$faisceau-fractionné$

L’angle caractéristique de diffraction, exprimé en radians, vaut

$\theta\simeq\displaystyle{\frac{\lambda}{a}}$

3. Figure de diffraction en Terminale

Lorsqu’on éclaire une fente fine, de largeur $a$ , aménagée dans une plaque opaque par un faisceau laser de longueur d’onde $\lambda$ , on observe sur un écran, situé à une distance $D$ de cette fente, une figure de diffraction formée d’une tache centrale et de taches secondaires.

$diffraction-terminale$

La tache centrale de diffraction a une largeur $d$ . Si $\theta$ est un « petit » angle, inférieur ou égal à $15^{\circ}$ ou $0,1~\mathrm{rad}$ , alors

$\tan\theta\simeq\theta$

et la largeur $d$ de la tache centrale vaut

$d\simeq\displaystyle{\frac{2D\lambda}{a}}$

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D. Interférences dans les phénomènes ondulatoires en Terminale

1. Interférences constructives ou destructives en Physique

Lorsque deux sources synchrones, $S_1$ et $S_2$ , qui ont le même état vibratoire à tout instant, émettent chacune une onde, en tout point $M$ d’une certaine zone de l’espace, on peut observer la superposition des deux ondes.

* On observe des interférences constructives en $M$ si les deux ondes arrivent en $M$ en phase, avec le même état vibratoire ; l’amplitude en $M$ est alors la somme des amplitudes des deux ondes.

* On observe des interférences destructives en $M$ si les deux ondes arrivent en $M$ en opposition de phase, avec des états vibratoires opposés ; l’amplitude en $M$ est alors nulle si les deux ondes ont la même amplitude.

2. Différence de marche et décalage temporel en Terminale

On suppose que les ondes synchrones émises par $S_1$ et $S_2$ sont sinusoïdales, que le milieu est homogène, on note $c$ la célérité des ondes et $\lambda$ la longueur d’onde.

La différence de marche en $M$ est

$\delta=S_2M-S_1M$

Le décalage temporel entre les deux ondes perçues en $M$ est

$\Delta t=\tau_2-\tau_1$ avec $\delta=c\Delta t$

* Il y a interférences constructives en $M$ si et seulement si

$\delta=k\lambda$ avec $k$ entier

* Il y a interférences destructives en $M$ si et seulement si

$\delta=\left(k+\frac12\right)\lambda$ avec $k$ entier

3.Trous et fentes d’Young en Terminale

Dans le cas des ondes lumineuses se propageant dans le vide, ou dans l’air assimilé au vide, et en notant $\lambda$ la longueur d’onde dans le vide, la condition d’interférences est identique.

Pour créer deux ondes synchrones, on doit impérativement diviser une onde unique en deux parties. Pour que l’onde soit sinusoïdale (on dit alors que l’onde est monochromatique, d’une seule couleur), il est pratique d’utiliser un laser.

Le dispositif des trous d’Young, formé de deux trous $T_1$ et $T_2$ très petits et très proches l’un de l’autre, dans un plan opaque, éclairé par un laser, permet de créer deux sources synchrones, assimilées aux deux trous d’Young.

Le dispositif des fentes d’Young $F_1$ et $F_2$ , plus courant dans les laboratoires des lycées, donne des résultats analogues.

Pour observer les interférences, on place un écran blanc à une distance $D$ du plan des trous d’Young.

Si on note $x$ l’abscisse sur l’écran, mesurée à partir du point d’impact du laser en l’absence du dispositif d’Young, en un point $M$ d’abscisse $x$ , la différence de marche a une expression admise

$\delta=F_2M-F_1M=\displaystyle{\frac{bx}{D}}$

où $b$ est la distance entre les trous ou fentes d’Young.

On observe alors des franges d’interférences, formées

* de franges brillantes où les interférences sont constructives

* séparées par des franges sombres où les interférences sont destructives.

Ces franges sont régulièrement espacées, l’interfrange est la distance entre deux fentes brillantes (ou sombres) consécutives

$i=\displaystyle{\frac{\lambda D}{b}}$

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