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Les caractéristiques d'une onde
Fiche | Sciences et technologies
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Table des matières
Les ondes transversales et les ondes longitudinales peuvent être décrites selon plusieurs caractéristiques. Voici les principales caractéristiques des ondes.
L'amplitude
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L’amplitude d’une onde transversale correspond à la hauteur maximale atteinte par l’onde par rapport à sa position au repos.
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L’amplitude d’une onde longitudinale est évaluée en fonction de la pression maximale des particules compressées par l’onde. Plus précisément, l’amplitude correspond à la différence entre cette pression maximale et la pression normale du milieu dans lequel l’onde se propage. L’amplitude est symbolisée par la lettre |A.|
Ainsi, l’amplitude |(A)| est évaluée différemment selon que l’onde soit transversale ou longitudinale.
On peut représenter une onde transversale en effectuant un graphique de sa position verticale |(y)| en fonction de la distance parcourue horizontalement |(x).| Dans ce contexte, l’amplitude correspond à la hauteur maximale de l’onde (crête de l’onde).
Détermination de l’amplitude d’une onde transversale
La représentation d’une onde longitudinale peut s’effectuer en représentant l’effet de ce type d’onde sur les particules de matière. Par exemple, dans le cas de l’air, une onde longitudinale a pour effet de rapprocher certaines particules (zone de haute pression) et d’éloigner d’autres particules (zone de basse pression). Il est difficile de représenter l’amplitude d’une onde longitudinale sur un tel schéma.
Par contre, si on représente un graphique du changement de la pression exercée par les particules en fonction de la distance parcourue par l’onde |(x),| il sera plus facile d’évaluer visuellement la valeur de l’amplitude. Celle-ci correspond à la valeur maximale du changement de pression.
Détermination de l’amplitude d’une onde longitudinale
L’amplitude des ondes transversales est exprimée en mètres |(\text{m})| ou au moyen d’autres unités dérivées du mètre (kilomètre, nanomètre, etc.). L’unité appropriée est déterminée en fonction de l’amplitude plus ou moins grande de l’onde.
L’amplitude est une indication de l’intensité de l’onde. Cette intensité a une influence sur les propriétés de l’onde. C’est ce qui détermine le volume d’une onde sonore ou encore l’intensité d’une onde lumineuse.
Comparaison de l’amplitude de deux ondes sonores
L’onde sonore 2 a une plus grande amplitude que l’onde sonore 1. Cela implique que le volume de l’onde sonore 2 est plus grand que le volume de l’onde sonore 1.
La longueur d'onde
La longueur d’onde correspond à la distance parcourue par une onde pour effectuer un cycle. Elle est symbolisée par la lettre grecque |\lambda| (lambda).
Cette longueur d’onde |(\lambda)| est évaluée différemment selon que l’onde soit transversale ou longitudinale.
Détermination de la longueur d’une onde transversale
Détermination de la longueur d’une onde longitudinale
La longueur d’onde est exprimée en mètres |(\text{m})| ou autres unités dérivées du mètre (|\text{km},| |\text{nm},| etc.) en fonction de la longueur plus ou moins grande de l’onde. La longueur d’une onde lumineuse visible s’exprime souvent en nanomètres |(\text{nm})|tandis que la longueur d’une onde radio s’exprime en mètres |(\text{m})| ou en kilomètres |(\text{km}).|
On peut calculer la longueur d’onde à partir de la formule suivante.
|\lambda=\dfrac{d}{N}|
où
|\lambda| représente la longueur d’onde (généralement en |\text{m}|)
|d| représente la distance parcourue par l’onde (généralement en |\text{m}|)
|N| représente le nombre de cycles effectués par l’onde
Quelle est la valeur de la longueur d’onde dans l'illustration suivante?
Distance parcourue par une onde transversale
Voir la solution
La longueur d’onde a une influence sur les propriétés d’une onde. Elle peut affecter la couleur de la lumière, la façon dont l’onde interagit avec la matière, le type d’onde électromagnétique, la quantité d’énergie transportée par l’onde, etc.
L’œil est l’organe responsable de la vue. Il perçoit les ondes lumineuses se trouvant entre |400| et |700\ \text{nm}| environ. Par exemple, on perçoit les ondes lumineuses dont la longueur d’onde est de |425\ \text{nm}| comme de la lumière violette. Lorsque la longueur d’onde est plus grande, comme |650\ \text{nm,}| on perçoit plutôt que la couleur du rayon lumineux est rouge. Un rayon de |800\ \text{nm}| de longueur semble incolore à l’œil humain.
Longueur d’onde et perception des couleurs
Le soleil est une source de plusieurs types de rayonnements, dont la lumière visible et les rayons UV.
La lumière visible a une longueur d’onde se trouvant approximativement entre |400| et |700\ \text{nm.}| Ce type de rayonnement n’est pas dommageable pour la peau.
Par contre, un excès de lumière ultraviolette |(\text{de }10\ \text{à}\ 400\ \text{nm})| est dangereux et endommage la peau. C’est la raison pour laquelle il faut s’en protéger.
Les ondes émises par le soleil
Capricorn Studio, Shutterstock.com
Il existe plusieurs types de panneaux solaires. Certains d’entre eux comprennent, entre autres, une surface semi-conductrice qui capte la lumière du soleil.
Lorsque la longueur d’onde des rayons lumineux est trop grande, leur énergie est faible. Celle-ci n’est donc pas suffisante pour déplacer les électrons de la surface métallique. Si la longueur d’onde diminue suffisamment, les rayons lumineux transporteront davantage d’énergie, ce qui permettra de forcer le déplacement des électrons.
C’est donc en captant l’énergie transportée par les ondes solaires de courte longueur d’onde qu’il est possible de transformer l’énergie rayonnante en énergie électrique.
Schéma du fonctionnement d’un panneau solaire (effet photoélectrique)
La fréquence
La fréquence d’une onde correspond au nombre de cycles que l’onde effectue en une seconde. Elle est symbolisée par la lettre |f| ou encore par la lettre grecque |\nu| (nu).
La fréquence |(\nu| ou |f)| est évaluée différemment selon que l’onde soit transversale ou longitudinale. Elle se mesure en secondes moins un |(\text{s}^{-1})| ou en Hertz |(\text{Hz})|.
Les schémas suivants représentent une onde transversale et une onde longitudinale de même fréquence.
Exemple de détermination de la fréquence d’une onde transversale
Exemple de détermination de la fréquence d’une onde longitudinale
Dans les deux représentations précédentes, l’onde effectue 2 cycles en |1\ \text{s}.| La fréquence est donc égale à |2\ \text{Hz}| ou |2\ \text{s}^{-1}.|
Tout comme la longueur d’onde, la fréquence a une influence sur les propriétés de l’onde. Elle affecte la façon dont l’onde interagit avec la matière, la quantité d’énergie transportée par l’onde, la tonalité du son, etc.
La fréquence des ondes sonores influence la tonalité perçue par l’oreille humaine. Lorsque leur fréquence est faible, comme dans le cas de l’onde sonore 1, les ondes sonores semblent plus graves pour l’oreille humaine.
Lorsque leur fréquence est grande, comme dans le cas de l’onde sonore 2, les ondes sonores semblent plus aigües.
Comparaison de la fréquence de deux ondes sonores
La voix humaine permet de communiquer à l’aide de sons dont la fréquence se trouve entre |40| et |1\ 550\ \text{Hz}.| Les dauphins, quant à eux, communiquent à l’aide de sons, mais aussi à l’aide d’ultrasons dont la fréquence va au-delà de |20\ 000\ \text{Hz}.|
La communication des dauphins
Paulphin Photography, Shutterstock.com
La radio FM exploite des ondes ayant une fréquence se trouvant généralement entre |87{,}5\ \text{MHz}| et |108\ \text{MHz}.|
La molette d’une radio permet de changer la fréquence du signal qui sera capté par l’antenne. On peut ainsi passer d’un canal à un autre.
Une radio
BrAt82, Shutterstock.com
Les rayons X sont des ondes à haute fréquence (entre environ |10^{16}| et |10^{19}\ \text{Hz}).| Cela fait en sorte que ces ondes interagissent avec les électrons présents dans les atomes, ce qui permet de générer des images radiographiques. Ces images sont notamment utilisées dans le domaine médical.
Une radiographie par rayon X du crâne d’un patient
Puwadol Jaturawutthichai, Shutterstock.com
La vitesse (notion avancée)
La vitesse d’une onde correspond à la distance parcourue par l’onde en un temps donné. Elle est symbolisée par la lettre |v|.
La vitesse se mesure généralement en mètres par seconde |(\text{m/s}).|
|v=\lambda f|
où
|v| représente la vitesse |(\text{m/s})|
|\lambda| représente la longueur d’onde |(\text{m})|
|f| représente la fréquence |(\text{Hz ou s}^{-1})|
Cette formule démontre que la fréquence et la longueur d’onde sont deux caractéristiques intrinsèquement liées. À vitesse constante, lorsque la longueur d’onde augmente, la fréquence de l’onde diminue. Lorsque la longueur d’onde diminue, la fréquence de l’onde augmente.
Tout comme les autres caractéristiques des ondes, la vitesse a une influence sur sa propagation.
Lors d’un orage, on voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre. En effet, l’onde sonore se propage à une vitesse de |343\ \text{m/s},| tandis que l’onde lumineuse se propage à une vitesse moyenne de |300\ 000\ \text{km/s}.| Ainsi, la lumière parvient à nos yeux plus rapidement que le son parvient à nos oreilles.
La perception du tonnerre et des éclairs pendant un orage