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Première · Physique-Chimie · Chapitre 3

Ondes et lumière : signaux, images et spectres

Ce que tu sauras faire

  • Définir une onde mécanique progressive, calculer sa célérité et le retard entre deux points du milieu.
  • Relier période, fréquence, longueur d'onde et célérité d'une onde périodique, et distinguer périodicité temporelle et périodicité spatiale.
  • Définir l'intensité sonore, calculer un niveau d'intensité sonore en décibels et exploiter le caractère logarithmique de cette échelle.
  • Construire l'image d'un objet par une lentille mince convergente et caractériser cette image : réelle ou virtuelle, droite ou renversée, agrandie ou réduite.
  • Exploiter la relation de conjugaison et le grandissement en respectant les mesures algébriques, et relier distance focale et vergence.
  • Calculer l'énergie d'un photon à partir de sa longueur d'onde ou de sa fréquence, et dire ce que chaque modèle de la lumière explique.
  • Interpréter un spectre d'émission ou d'absorption, identifier une entité chimique par ses raies et en déduire la composition et la température d'une étoile.

Au programme du chapitre

  1. Une onde mécanique : un transfert sans transport de matière
  2. Onde périodique : deux périodicités, une longueur d'onde
  3. Le son comme signal : intensité sonore
  4. Le niveau d'intensité sonore et l'échelle des décibels
  5. La lumière : rayons, lentilles minces et formation des images
  6. La relation de conjugaison et le grandissement
  7. La lumière comme flux de photons
  8. Spectres d'émission, d'absorption, et la lumière des étoiles

Exercices corrigés

Exercice 1

Dans une cloche à vide où l'on fait progressivement le vide, on continue de voir le marteau d'un réveil frapper la cloche alors que le son s'éteint peu à peu. Qu'est-ce que cette expérience prouve, et qu'est-ce qu'elle ne prouve pas ?
Un coup de pouce
Demande-toi ce qui, physiquement, oscille dans le cas du son, puis si cette chose est encore présente quand on a retiré l'air.
Voir la correction pas à pas
Elle prouve que le son est une onde mécanique : il a besoin d'un milieu matériel pour se propager, parce que ce qui se propage est une suite de compressions et de dilatations de la matière elle-même. Sans matière, il n'y a rien à comprimer, donc rien à propager.
Elle prouve aussi, en négatif, que la lumière n'est pas une onde mécanique : elle traverse le vide sans difficulté, sans quoi nous ne verrions ni le Soleil ni aucune étoile.
En revanche, elle ne prouve pas que la lumière n'est pas une onde du tout : elle dit seulement que si l'on veut décrire la lumière par une onde, ce ne peut pas être une onde de matière. C'est exactement la distinction qui a occupé les physiciens du XIXe siècle, et c'est pourquoi il a fallu un modèle nouveau.
Une dernière remarque, souvent oubliée : le vide obtenu dans une cloche de laboratoire n'est jamais parfait, et c'est pourquoi le son faiblit sans jamais disparaître tout à fait. Ce détail est la marque d'une expérience réelle, pas d'une expérience de pensée.

Exercice 2

Une sonde d'échographie peut fonctionner à 2,02{,}0 MHz ou à 8,08{,}0 MHz. Sans faire de calcul complet, explique pourquoi le médecin choisit la fréquence la plus élevée lorsqu'il veut examiner une structure très fine.
Un coup de pouce
Regarde où se trouve la fréquence dans la relation entre longueur d'onde, célérité et fréquence : au numérateur ou au dénominateur ?
Voir la correction pas à pas
La finesse des détails visibles est limitée par la longueur d'onde employée : on ne distingue pas un détail nettement plus petit que λ\lambda.
Or dans un milieu donné, la célérité est fixée, et λ=v/f\lambda = v/f. La longueur d'onde est donc inversement proportionnelle à la fréquence : passer de 2,02{,}0 à 8,08{,}0 MHz, c'est multiplier la fréquence par 4, donc diviser la longueur d'onde par 4.
À 2,02{,}0 MHz, avec v≈1,48×103v \approx 1{,}48 \times 10^{3} m·s−1^{-1} dans les tissus mous, λ\lambda vaut environ 0,740{,}74 mm ; à 8,08{,}0 MHz, environ 0,190{,}19 mm. La résolution est donc quatre fois meilleure.
Ce raisonnement ne demande aucune calculatrice : il suffit de voir que ff est au dénominateur. C'est le genre de lecture qualitative d'une formule qu'on attend en première.

Les pièges à éviter

  • Écrire le retard comme un produit, τ=v×d\tau = v \times d, au lieu d'un quotient.
  • Oublier le facteur 2 dans un exercice d'écho, de sonar ou de radar.
  • Confondre la période TT et la longueur d'onde λ\lambda, ou les appeler toutes deux « la période ».
  • Croire que la fréquence d'un son change quand il passe de l'air à l'eau.

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