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Caractéristiques des vagues
Avant de nous lancer dans les caractéristiques des vagues, nous devons savoir ce que nous appelons une vague en physique.
Une onde est une forme d'énergie qui se déplace progressivement d'un point à un autre dans un milieu.
Tu dois toujours te rappeler qu'une onde transporte de l'énergie d'un endroit à un autre, mais qu'elle ne transporte pas de matière, même si cela semble être le cas.
Fig 1 - Les vagues qui s'écrasent sur l'océan sont un exemple du mouvement des vagues.
Propriétés d'une onde
Les ondes ont les propriétés suivantes :
- Lorsqu'une onde se déplace dans un milieu, les particules du milieu ne sont pas déplacées d'un endroit à un autre. Elles ne font que vibrer le long de leurs positions d'équilibre.
- Chaque particule du milieu présente un mouvement similaire à celui de la particule précédente.
- Au cours du mouvement ondulatoire, seule l'énergie est transférée.
Il existe deux types d'ondes : les ondes longitudinales et les ondes transversales.
Les ondes longitudinales
Voyons ce que sont exactement les ondes longitudinales.
Les ondeslongitudinales ou de compression sont celles dans lesquelles une quantité oscille dans la même direction que le mouvement de l'onde.
La quantité qui oscille dans une onde peut être, par exemple, la pression, les champs électriques ou magnétiques, etc.
Les ondes longitudinales sont souvent produites lorsque des particules vibrent dans un milieu. Une onde sonore est un parfait exemple d'onde longitudinale ! La vitesse de propagation des ondes sonores dépend de la composition et de la température du milieu.
Ondes transversales
Voyons maintenant ce que sont les ondes transversales.
Lesondes transversales sont celles dans lesquelles une quantité oscille perpendiculairement à la direction du mouvement de l'onde.
Les ondulations à la surface de l'eau, les ondes secondaires d'un tremblement de terre et les ondes électromagnétiques, comme la lumière, sont tous des exemples d'ondes transversales.
Les ondes ont trois caractéristiques principales : la longueur d'onde, l'amplitude et la période de temps. Connaissons mieux chacune d'entre elles.
Caractéristiques des ondes en termes de longueur d'onde
Nous allons maintenant approfondir les caractéristiques de longueur d'onde d'une onde.
La longueur d'onde est la distance entre deux points équivalents d'une onde.
Habituellement, dans les ondes transversales, la longueur d'onde est mesurée entre deux crêtes ou deux creux, et de même, dans les ondes longitudinales, elle est mesurée entre deux compressions ou raréfactions successives.
Fig 2 - Caractéristiques de la longueur d'onde d'une onde définissant deux crêtes ou deux creux consécutifs.
La compression est une région de l'onde longitudinale où les particules sont les plus proches les unes des autres, alors qu'on parle de raréfaction si les particules sont les plus éloignées.
La longueur d'onde est généralement indiquée par la lettre grecque lambda, \( \lambda \). Nous pouvons calculer la longueur d'onde si nous connaissons la vitesse et la fréquence de l'onde à l'aide de l'équation suivante
\[ \lambda = \frac{v}{f},\]où \(\lambda\) est mesuré en mètres \( \mathrm{(m)}\), la vitesse, \(v\), en mètres par seconde \( \mathrm{(m/s)}\), et la fréquence, \(f\), en inverse des secondes \( \mathrm{(s^{-1})}\), communément appelée hertz \( \mathrm{Hz} \).
La vitesse des vagues, \(v\), est définie comme la distance parcourue par une vague au cours d'une période donnée, tandis que la fréquence, \(f\), décrit le nombre de vagues qui passent à un endroit fixe dans ce laps de temps.
Pour la lumière, la longueur d'onde est utilisée pour déterminer sa couleur. La longueur d'onde de la lumière visible va d'environ \N 650 à \N 400, ce que nous percevons respectivement comme le rouge et le violet. D'autre part, la longueur d'onde d'une onde sonore détermine sa hauteur.
Caractéristiques d'amplitude des ondes
Voyons ce qu'est exactement l'amplitude d'une onde et passons en revue quelques exemples.
L' amplitude d'une onde est le déplacement maximal d'une oscillation par rapport à sa position de repos ou d'équilibre.
L'équation du déplacement d'une onde par rapport à sa position d'équilibre dépend de l'amplitude de l'onde.
\[y=Asin(\omega * t + \Phi)\]
Dans l'équation ci-dessus, \(y\) est le déplacement de la vague en mètres \( \mathrm{(m)} \), \(A\) est l'amplitude de la vague en mètres \(\mathrm{(m)} \), \(\oméga\) est la fréquence angulaire de l'onde donnée en \(\frac{\mathrm{rad}}{s}\), \( t \) est la période de temps en secondes \(\mathrm{(s)} \), et \(\Phi\) est une constante appelée la différence de phase.
La différence de phase est la différence de trajectoire entre les deux ondes.
Le déplacement est une quantité vectorielle définie comme le changement de position d'une particule. Dans la prochaine section, nous découvrirons plus en détail la période d'une onde.
Ondulation de l'eau produite dans les lacs
Lorsque tu observes quelqu'un qui jette une pierre dans un plan d'eau, tu peux entendre un certain son et observer un motif circulaire qui se forme autour du point d'impact. Il s'agit dans les deux cas d'ondes ! Nous mesurons l'amplitude de la vague d'eau depuis le point le plus élevé de la vague jusqu'au niveau de l'eau. Dans le cas de l'onde sonore, nous disons qu'un son faible a une petite amplitude, tandis qu'un son fort a une grande amplitude.
Écoute au casque
Lorsque nous écoutons de la musique avec nos écouteurs, nous augmentons ou diminuons constamment le volume. Lorsque nous changeons le volume, cela signifie que nous modifions l'amplitude de l'onde, ce qui se traduit par un son fort ou faible.
Caractéristiques de la période des ondes
La dernière caractéristique des ondes à examiner est la période d'une onde.
La période est le temps qu'il faut à une onde pour accomplir un cycle ou une oscillation complète.
La période ne doit pas être confondue avec la fréquence, même si elles sont étroitement liées. La période est définie comme un intervalle de temps qui répond à la question de savoir combien de temps dure un événement. La fréquence, quant à elle, se réfère à la fréquence d'un événement et répond à la question de savoir combien de fois un événement se produit dans un laps de temps donné.
Mathématiquement, la période est l'inverse de la fréquence, et ceci peut être exprimé comme suit :
\[ t = \frac{1}{f}, \]où la période, \(T,\N) est mesurée en secondes( \mathrm{(s)} \N), et la fréquence, \( f, \N) est mesurée en inverse de seconde \N( \mathrm{(s^{-1})}. \), ou en hertz \( \mathrm{(Hz)} \).
Exemples de caractéristiques des ondes
Nous allons maintenant aborder quelques exemples d'ondes et parler de leurs caractéristiques.
Les ondes lumineuses
La lumière visible, comme toute autre onde, est une forme d'énergie qui se propage à partir d'une source. C'est une onde électromagnétique composée d'un champ électrique et magnétique oscillant.
Lorsque la lumière provient de la source, notre cerveau représente les ondes en interprétant les différentes longueurs d'onde comme des couleurs différentes.
L'énergie d'une onde est directement proportionnelle à sa fréquence, ou de façon équivalente, elle est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. La gamme des longueurs d'onde visibles par l'œil humain va de \( 400;\rmathrm{nm}\), que nous interprétons comme le violet, à \( 700;\rmathrm{nm} \rm}), que nous connaissons comme le rouge. D'après leurs longueurs d'onde, nous pouvons conclure que la lumière rouge transporte moins d'énergie que la lumière violette. Il est également intéressant de noter que les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin d'un support pour se propager ; elles peuvent exister dans le vide !
Fig 3 - Les ondes lumineuses transmettent de l'énergie à notre cerveau alors qu'il représente différentes couleurs attribuées à différentes longueurs d'onde.
Les ondes sonores
Les ondes sonores sont constituées d'une alternance de modèles de compression et de raréfaction. Lorsqu'une onde sonore se propage dans un milieu, l'énergie de l'onde provoque l'excitation des molécules. Ainsi, au passage d'une onde, une molécule s'excite ou s'énergise dans le milieu jusqu'à ce qu'elle donne son énergie à la molécule suivante et diminue son mouvement. Ensuite, la molécule précédente acquiert à nouveau de l'énergie jusqu'à ce qu'elle soit frappée par une molécule de l'onde, ce qui entraîne une alternance de compression et de raréfaction.
Les ondes sonores perdent de l'énergie lorsqu'elles se déplacent dans un milieu. C'est pourquoi nous n'entendons pas une personne qui se tient trop loin de nous par rapport à une personne qui se trouve à côté de nous. Dans le cas des ondes sonores, l'énergie est proportionnelle à l'amplitude de l'onde, qui définit son volume. Et la période ou la fréquence définit la hauteur du son.
Fig 4 - Les écouteurs utilisent de l'énergie pour créer des ondes sonores. En augmentant le volume, on augmente l'amplitude des ondes et on a besoin de plus d'énergie.
Les micro-ondes
Les micro-ondes font partie des rayonnements électromagnétiques. Elles ont de nombreuses applications, à commencer par les communications, les radars, et même dans les ménages comme la cuisine.
Les micro-ondes sont utilisées dans les petits appareils pour le traitement des signaux, dans les pistolets radar et les détecteurs de mouvement pour détecter la vitesse, et même dans les radars météorologiques pour suivre le mouvement des gouttelettes d'eau dans l'atmosphère. Les micro-ondes sont également utilisées dans les satellites pour observer la Terre ou l'espace.
Une autre utilisation que tu connais peut-être est celle qui consiste à chauffer rapidement les aliments ou à les cuire. Les fours à micro-ondes émettent ce type d'ondes qui font vibrer les molécules des aliments, augmentant ainsi leur énergie et leur température. Comme il s'agit d'ondes électromagnétiques au même titre que la lumière, elles se propagent à la même vitesse et leur énergie dépend de leur fréquence.
Fig 5 - Un four à micro-ondes chauffe les aliments en émettant des ondes qui font vibrer les molécules alimentaires, ce qui augmente leur énergie et leur température.
Caractéristiques des vagues - Principaux enseignements
Une vague est une perturbation qui se propage et qui véhicule de l'énergie.
Les ondes longitudinales et transversales sont les deux principaux types d'ondes : les unes se propagent le long et les autres perpendiculairement à leur mouvement.
La longueur d'onde est la distance entre deux points équivalents d'une onde.
L'amplitude est le déplacement maximal ou la distance parcourue par un point d'une onde, mesuré à partir de sa position d'équilibre.
La période d'une onde est définie comme le temps que met une particule dans un milieu pour effectuer un cycle complet.
Le son, la lumière visible et les micro-ondes sont tous des exemples d'ondes. La caractéristique de l'onde détermine des propriétés différentes dans chacun de ces cas, par exemple, dans le son, l'amplitude détermine le volume et la fréquence détermine la hauteur. Dans la lumière, la longueur d'onde détermine la couleur que nous percevons et aussi son énergie.
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