Physique
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Ondes
Une onde, c'est de l'énergie qui voyage sans que la matière ne voyage. Cette idée, à la fois simple et déroutante, explique le son, la lumière, les vagues, les séismes, et une foule d'examens médicaux (échographie, Doppler, IRM…). Notre but : que tu développes une intuitiondes ondes assez solide pour analyser n'importe quelle situation.
1Qu'est-ce qu'une onde ?
Transmettre de l'énergie sans déplacer de matière
Pense à la « ola » dans un stade : la vague fait le tour du stade, mais personne ne change de place, chacun se lève puis se rassoit. C'est exactement une onde : une perturbation qui se propage, tandis que chaque point du milieu oscille sur place.
Une corde qu'on secoue, la surface de l'eau, le son dans l'air, la lumière : dans tous les cas, l'onde transporte de l'énergie (et de l'information), mais le milieu, lui, reste sur place. Un bouchon sur l'eau monte et descend au passage des vagues sans dériver vers le large.
Quand une vague traverse l'océan sur des centaines de kilomètres, l'eau voyage-t-elle aussi sur cette distance ?Réfléchis puis ouvre ▾
Non. Chaque parcelle d'eau décrit de petits cercles sur place ; c'est la forme (la perturbation) et l'énergie qui se propagent. Le bouchon de pêcheur le prouve : il oscille mais ne part pas avec la vague.
Vérifie que tu as compris
Que transporte une onde ?Réfléchis puis ouvre ▾
De l'énergie (et de l'information), pas de la matière.
Que fait chaque point du milieu au passage de l'onde ?Réfléchis puis ouvre ▾
Il oscille sur place (comme la « ola »), sans se déplacer avec l'onde.
Un bouchon sur l'eau part-il avec la vague ?Réfléchis puis ouvre ▾
Non : il monte et descend sur place ; seule la perturbation se propage.
2Les deux grandes familles d'ondes
| Type | Besoin d'un milieu ? | Exemples |
|---|---|---|
| Ondes mécaniques | oui (matière) | son, vagues, corde, séismes |
| Ondes électromagnétiques | non (même dans le vide) | lumière, rayons X, micro-ondes, ondes radio |
Piège fréquent
Idée reçue : « toutes les ondes ont besoin d'un milieu ». FAUX. La lumière du Soleil traverse le vide spatial pour nous parvenir. Le son, lui, ne se propage PAS dans le vide, d'où le silence de l'espace.
Pour le futur médecin
Toute l'imagerie médicale repose sur des ondes : mécaniques pour l'échographie (ultrasons), électromagnétiques pour la radiographie (rayons X) et l'IRM (ondes radio + champ magnétique).
Vérifie que tu as compris
Quelle famille d'ondes a besoin d'un milieu matériel ?Réfléchis puis ouvre ▾
Les ondes mécaniques (son, vagues, séismes). Les électromagnétiques se propagent même dans le vide.
Comment la lumière du Soleil nous parvient-elle à travers l'espace ?Réfléchis puis ouvre ▾
C'est une onde électromagnétique : elle n'a pas besoin de milieu, elle traverse le vide.
Pourquoi l'espace est-il silencieux ?Réfléchis puis ouvre ▾
Parce que le son est une onde mécanique : sans matière, il ne peut pas se propager.
3Les grandeurs caractéristiques
| Grandeur | Symbole | Signification | Unité |
|---|---|---|---|
| Période | durée d'une oscillation complète | s | |
| Fréquence | nombre d'oscillations par seconde | hertz (Hz) | |
| Longueur d'onde | distance d'un motif complet (dans l'espace) | m | |
| Vitesse de propagation | vitesse de l'onde dans le milieu | m/s |
Relation fondamentale des ondes
vitesse de propagationm/s
longueur d'ondem
fréquenceHz
périodes
Quand l'utiliser
Pour relier vitesse, longueur d'onde et fréquence d'une onde périodique.
Quand l'éviter
Confondre v (vitesse de l'onde) avec la vitesse d'oscillation des particules : ce sont deux choses différentes !
Interprétation
En une période T, l'onde avance d'exactement une longueur d'onde λ. Donc v = λ/T = λf.
Piège au concours
Croire que f change avec le milieu : la fréquence est imposée par la SOURCE et reste constante ; ce sont v et λ qui s'adaptent.
Astuce mémo
« vitesse = longueur × cadence ». Fréquence et période sont inverses (f = 1/T).
v = λ · f = 2.40 m/s · T = 1/f = 0.500 s
amplitude A50
long. d'onde λ120
fréquence f2 Hz
L'amplitude est la hauteur, la longueur d'onde λ la distance d'un motif, la fréquence f le nombre d'oscillations par seconde. Les trois sont liées par v = λf.
Vitesse de l'onde ≠ vitesse des particules
La vitesse de propagation v est celle à laquelle le motif avance. La vitesse des particules est celle de leur va-et-vient sur place. Sur une corde, l'onde peut filer à plusieurs m/s alors que chaque point ne fait que monter-descendre de quelques cm. Ne les confonds jamais !
Un son émis à 440 Hz dans l'air passe dans l'eau (où il va ~4× plus vite). Sa fréquence change-t-elle ? Sa longueur d'onde ?Réfléchis puis ouvre ▾
La fréquence reste 440 Hz (imposée par la source). Comme et que v augmente (×4), c'est la longueur d'onde qui augmente (×4). On entend toujours la même note, mais le motif spatial s'allonge.
Un son de 170 Hz se propage à 340 m/s. Quelle est sa longueur d'onde ?Facile
Solution détaillée
.Vérifie que tu as compris
Que relie la relation v = λf ?Réfléchis puis ouvre ▾
La vitesse, la longueur d'onde et la fréquence : en une période, l'onde avance d'une longueur d'onde.
En changeant de milieu, qu'est-ce qui reste constant ?Réfléchis puis ouvre ▾
La fréquence (imposée par la source) ; ce sont v et λ qui s'adaptent.
Vitesse de l'onde et vitesse des particules, est-ce pareil ?Réfléchis puis ouvre ▾
Non : v est la vitesse du motif ; les particules oscillent sur place à une autre vitesse.
4Transversales et longitudinales
Dans quel sens vibrent les particules ?
C'est ce qui distingue les deux types d'ondes mécaniques.
Transversale
Les particules vibrent perpendiculairement à la propagation. Ex. : corde agitée, lumière.
Longitudinale
Les particules vibrent dans le sens de la propagation (compressions / dilatations). Ex. : son, ressort.
Transversale, les particules montent/descendent (⊥ au mouvement)
Longitudinale, les particules se resserrent/écartent (∥ au mouvement)
Dans les deux cas, l'onde se propage vers la droite, mais les particules oscillent sur place : verticalement (corde, lumière) ou dans le sens de propagation (son, ressort). Aucune particule ne « voyage » avec l'onde.
Vérifie que tu as compris
Dans une onde transversale, comment vibrent les particules ?Réfléchis puis ouvre ▾
Perpendiculairement à la propagation (ex. corde, lumière).
Et dans une onde longitudinale ?Réfléchis puis ouvre ▾
Dans le sens de la propagation (compressions/dilatations, ex. le son).
Le son est-il transversal ou longitudinal ?Réfléchis puis ouvre ▾
Longitudinal : l'air vibre dans la direction de propagation.
5Le son : une onde à part entière
Le son est une onde mécanique longitudinale
Une source qui vibre (corde vocale, haut-parleur) comprime puis dilate l'air autour d'elle. Ces compressions et dilatations se propagent de proche en proche : c'est le son. Comme il fait vibrer la matière dans le sens de la propagation, le son est une onde longitudinale, et il lui faut un milieu (pas de son dans le vide).
| Milieu | Vitesse du son (ordre de grandeur) |
|---|---|
| Air (20 °C) | ≈ 340 m/s |
| Eau | ≈ 1500 m/s |
| Os, tissus mous | ≈ 1500 à 4000 m/s |
| Vide | aucun son (pas de matière) |
Ce que l'oreille perçoit : hauteur, intensité, timbre
Trois caractères physiques de l'onde se traduisent par trois sensations distinctes. Le concours teste souvent le lien exact entre chacun et la grandeur de l'onde.
| Sensation | Dépend de… | Exemple |
|---|---|---|
| Hauteur | la fréquence | aigu = f grande ; grave = f petite |
| Intensité (volume) | l'amplitude de l'onde | fort = grande amplitude |
| Timbre | la forme de l'onde (harmoniques) | distingue un piano d'un violon à la même note |
Le domaine audible : 20 Hz à 20 000 Hz
L'oreille humaine perçoit les fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz. En dessous de 20 Hz : les infrasons (inaudibles, ressentis comme des vibrations). Au-dessus de 20 kHz : les ultrasons, ceux qu'utilise l'échographie.
Pour le futur médecin
L'échographie exploite des ultrasons (typiquement 1 à 15 MHz, bien au-delà de l'audible) : ils traversent les tissus, se réfléchissent aux interfaces, et l'appareil reconstruit une image à partir des échos. Une fréquence plus haute donne une image plus fine (petite λ) mais pénètre moins profondément : un compromis que le médecin choisit selon l'organe.
Deux personnes chantent la même note (même hauteur) mais on les distingue nettement. Quelle grandeur de l'onde diffère ?Réfléchis puis ouvre ▾
Le timbre, c'est-à-dire la forme de l'onde (le mélange d'harmoniques). La fréquence fondamentale est la même (même hauteur), l'amplitude peut être identique (même volume), mais chaque voix a sa « signature » de forme d'onde.
Une sonde d'échographie émet des ultrasons à 3 MHz dans un tissu où le son va à 1540 m/s. Quelle est la longueur d'onde ? (Elle fixe la finesse de l'image.)Intermédiaire
Solution détaillée
. Une λ submillimétrique explique la finesse de l'image échographique.Vérifie que tu as compris
De quoi dépend la hauteur (aigu/grave) d'un son ?Réfléchis puis ouvre ▾
De la fréquence : aigu = f grande, grave = f petite.
De quoi dépend l'intensité (volume) d'un son ?Réfléchis puis ouvre ▾
De l'amplitude de l'onde.
Quel est le domaine audible pour l'oreille humaine ?Réfléchis puis ouvre ▾
De 20 Hz à 20 kHz ; au-delà, ce sont les ultrasons (échographie).
6Les interférences
Que se passe-t-il quand deux ondes se rencontrent ?
Elles se superposent : en chaque point, les déplacements s'additionnent (principe de superposition). Selon qu'elles arrivent « en phase » ou « en opposition », elles se renforcent ou s'annulent.
Onde 1
Onde 2
Somme (superposition), interférence constructive
déphasage0°
Deux ondes identiques se superposent. En phase (0°) : les amplitudes s'ajoutent → interférence constructive (onde 2× plus grande). En opposition (180°) : elles s'annulent → interférence destructive (silence, obscurité). C'est ainsi qu'un casque antibruit « ajoute » du son… pour créer du silence.
| Interférence | Condition | Résultat |
|---|---|---|
| constructive | ondes en phase (déphasage 0, 360°…) | amplitudes s'ajoutent (renforcement) |
| destructive | ondes en opposition (déphasage 180°) | amplitudes s'annulent (extinction) |
Comment deux sons (ou deux lumières) peuvent-ils produire du silence (ou de l'obscurité) ?Réfléchis puis ouvre ▾
Par interférence destructive : si l'une « monte » pendant que l'autre « descend » exactement (opposition de phase), leur somme est nulle. C'est le principe des casques antibruit : ils émettent un son en opposition de phase avec le bruit ambiant pour l'annuler.
Vérifie que tu as compris
Que dit le principe de superposition ?Réfléchis puis ouvre ▾
En chaque point, les déplacements des ondes s'additionnent.
Quand une interférence est-elle constructive ?Réfléchis puis ouvre ▾
Quand les ondes sont en phase : les amplitudes s'ajoutent (renforcement).
Que se passe-t-il en opposition de phase (180°) ?Réfléchis puis ouvre ▾
Interférence destructive : les amplitudes s'annulent (extinction).
7La diffraction
Pourquoi entend-on quelqu'un derrière une porte entrouverte ?
Parce que les ondes contournent les obstacles et s'étalent en passant par une ouverture : c'est la diffraction. Le son nous parvient même sans ligne droite vers la source.
La règle clé : taille de l'ouverture vs λ
La diffraction est d'autant plus marquée que l'ouverture (ou l'obstacle) est comparable ou plus petite que la longueur d'onde. Plus λ est grande, plus l'onde se diffracte.
Exemple
Le son (λ ~ 1 m) se diffracte beaucoup → on l'entend partout dans une pièce. La lumière (λ ~ 0,5 µm) se diffracte très peu → elle fait des ombres nettes. Même phénomène, échelles différentes.
Pourquoi contourne-t-on facilement un mur avec le son grave d'une basse, mais beaucoup moins avec un sifflement aigu ?Réfléchis puis ouvre ▾
Un son grave a une grande longueur d'onde (basse fréquence) : il se diffracte fortement et contourne les obstacles. Un son aigu a une petite λ : il se diffracte peu et reste plus « directionnel ». C'est pourquoi, d'un appartement voisin, on n'entend surtout que les basses.
Vérifie que tu as compris
Qu'est-ce que la diffraction ?Réfléchis puis ouvre ▾
Le fait qu'une onde contourne un obstacle et s'étale en passant par une ouverture.
Quand la diffraction est-elle la plus marquée ?Réfléchis puis ouvre ▾
Quand l'ouverture est comparable ou plus petite que la longueur d'onde ; plus λ est grande, plus l'onde se diffracte.
Pourquoi la lumière fait-elle des ombres nettes, mais pas le son ?Réfléchis puis ouvre ▾
La lumière a une très petite λ (se diffracte peu) ; le son a une grande λ (se diffracte beaucoup).
8Le spectre électromagnétique
La lumière visible n'est qu'une toute petite fenêtre
Les ondes électromagnétiques (EM) forment une immense famille : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X, rayons gamma. Ce sont toutes la même chose physiquement (un champ électrique et un champ magnétique qui oscillent) ; elles ne diffèrent que par leur fréquence (donc leur longueur d'onde et leur énergie).
Dans le vide, toutes vont à la même vitesse : c
Quelle que soit sa couleur ou sa nature, une onde EM se propage dans le vide à. La relation impose donc : plus la fréquence est grande, plus la longueur d'onde est petite (elles sont inversement proportionnelles), et plus l'énergie transportée est grande.
| Domaine (λ décroissante) | Fréquence / énergie | Usage courant |
|---|---|---|
| Ondes radio | faible | radio, TV, IRM |
| Micro-ondes | ↓ | four à micro-ondes, wifi, radar |
| Infrarouge (IR) | ↓ | chaleur, télécommandes, thermographie |
| Visible (400 à 700 nm) | ↓ | vision (violet → rouge) |
| Ultraviolet (UV) | ↑ | bronzage, désinfection, risque cutané |
| Rayons X | ↑ | radiographie, scanner |
| Rayons gamma (γ) | très élevée | radiothérapie, médecine nucléaire |
Le piège du visible : violet vs rouge
Dans la lumière visible, le violet a la plus petite longueur d'onde (≈ 400 nm, donc la plus grande fréquence et énergie) et le rouge la plus grande (≈ 700 nm). Moyen mnémotechnique : « le violet est plus énergétique que le rouge ». C'est aussi pourquoi l'UV (au-delà du violet) brûle la peau alors que l'IR (au-delà du rouge) ne fait que chauffer.
Pour le futur médecin
Le rangement du spectre a un enjeu clinique direct : les rayons X et gamma, très énergétiques, sont ionisants (ils peuvent casser des molécules et endommager l'ADN), d'où le principe de radioprotection. À l'inverse, les ondes radio de l'IRM ne sont pas ionisantes : c'est un avantage majeur de sécurité de l'IRM face au scanner.
Un rayon X et une onde radio se propagent tous deux dans le vide. Lequel va le plus vite ? Lequel transporte le plus d'énergie ?Réfléchis puis ouvre ▾
Ils vont exactement à la même vitesse, m/s : toutes les ondes EM voyagent à c dans le vide. En revanche le rayon X, de fréquence bien plus élevée, transporte beaucoup plus d'énergie par photon, ce qui le rend ionisant.
Une onde radio a une fréquence de 100 MHz. Quelle est sa longueur d'onde dans le vide ?Intermédiaire
Solution détaillée
. Cohérent : les ondes radio ont de grandes longueurs d'onde.Vérifie que tu as compris
À quelle vitesse vont les ondes électromagnétiques dans le vide ?Réfléchis puis ouvre ▾
Toutes à m/s, quelle que soit leur fréquence.
Dans le visible, quelle couleur est la plus énergétique ?Réfléchis puis ouvre ▾
Le violet (plus petite λ, plus grande fréquence) ; le rouge est le moins énergétique.
Quelles ondes EM sont ionisantes ?Réfléchis puis ouvre ▾
Les rayons X et gamma (très énergétiques) ; les ondes radio de l'IRM ne le sont pas.
9L'effet Doppler
Pourquoi la sirène change-t-elle de son quand elle passe ?
Quand une ambulance approche, son klaxon paraît plus aigu ; dès qu'elle s'éloigne, il paraît plus grave. La source n'a pourtant rien changé : c'est le mouvement relatif qui tasse ou étire les fronts d'onde, donc modifie la fréquence perçue. C'est l'effet Doppler.
Quand la source se rapproche, chaque nouveau front d'onde est émis un peu plus près de l'observateur : les fronts se resserrent devant, la longueur d'onde reçue diminue et la fréquence perçue augmente. Derrière, c'est l'inverse : les fronts s'écartent, la fréquence perçue baisse.
λ′ 0.42 m(λ = 0.85)
f′ 800 Hz(f = 400)
Vs170 m/s
Quand la source se rapproche, les fronts d'onde se resserrent devant elle : la longueur d'onde λ′ diminue et la fréquence perçue f′ augmente (son plus aigu). Quand elle s'éloigne, c'est l'inverse (son plus grave).
| Mouvement relatif source ↔ observateur | Fréquence perçue |
|---|---|
| ils se rapprochent | plus haute (son plus aigu, lumière « bleuie ») |
| ils s'éloignent | plus basse (son plus grave, lumière « rougie ») |
Piège fréquent
L'effet Doppler dépend du rapprochement ou de l'éloignement, pas de la vitesse absolue. Au moment précis où la source passe à ta hauteur (ni ne s'approche ni ne s'éloigne), la fréquence perçue repasse par sa valeur d'origine. Et attention : la source, elle, émet toujours la mêmefréquence ; c'est seulement la fréquence reçue qui change.
L'écho-Doppler : voir circuler le sang
En cardiologie et en angiologie, on envoie des ultrasons sur les globules rouges en mouvement. Les échos reviennent avec une fréquence décalée par effet Doppler, et ce décalage donne directement la vitesse et le sens du flux sanguin : on repère ainsi un rétrécissement d'artère, une fuite valvulaire ou un caillot. C'est l'application médicale phare des ondes.
En regardant les galaxies lointaines, les astronomes observent que leur lumière est décalée vers le rouge. Que révèle ce « décalage vers le rouge » ?Réfléchis puis ouvre ▾
Que ces galaxies s'éloignent de nous : par effet Doppler (appliqué à la lumière), l'éloignement diminue la fréquence perçue, donc décale les couleurs vers le rouge (plus grande λ). C'est l'un des piliers de l'expansion de l'Univers, exactement le même principe que la sirène qui devient grave en s'éloignant.
Vérifie que tu as compris
Que devient la fréquence perçue quand la source se rapproche ?Réfléchis puis ouvre ▾
Elle augmente (son plus aigu, lumière « bleuie ») : les fronts d'onde se resserrent.
La source change-t-elle réellement de fréquence dans l'effet Doppler ?Réfléchis puis ouvre ▾
Non : elle émet toujours la même. C'est la fréquence reçue qui change.
À quoi sert l'écho-Doppler en médecine ?Réfléchis puis ouvre ▾
À mesurer la vitesse et le sens du flux sanguin à partir du décalage de fréquence des échos.
10Les ondes en médecine
Pourquoi un futur médecin doit comprendre les ondes
| Examen | Onde utilisée | Principe |
|---|---|---|
| Échographie | ultrasons (mécaniques) | on envoie des ultrasons et on mesure les échos réfléchis par les tissus |
| Doppler | ultrasons | le décalage de fréquence des échos donne la vitesse du sang |
| Radiographie | rayons X (EM) | les rayons traversent plus ou moins selon la densité (os vs tissus) |
| IRM | ondes radio (EM) + champ magnétique | on excite les noyaux d'hydrogène et on lit leur réponse |
| Audiométrie | sons | teste l'audition selon la fréquence (le lien fréquence ↔ hauteur perçue) |
Vérifie que tu as compris
Quelle onde utilise l'échographie ?Réfléchis puis ouvre ▾
Des ultrasons (ondes mécaniques) : on mesure les échos réfléchis par les tissus.
Quelle onde utilise la radiographie ?Réfléchis puis ouvre ▾
Les rayons X (ondes électromagnétiques), qui traversent plus ou moins selon la densité.
Sur quel principe repose le Doppler médical ?Réfléchis puis ouvre ▾
Le décalage de fréquence des échos renvoyés par le sang en mouvement donne sa vitesse.
11Les erreurs fréquentes
Les erreurs qui coûtent des points
- Confondre vitesse de l'onde et vitesse des particulesv = λf est la vitesse du motif ; les particules, elles, oscillent sur place à une autre vitesse.
- Croire qu'une onde transporte de la matièreelle transporte de l'énergie ; le milieu oscille sur place (la ola, le bouchon de pêcheur).
- Penser que la fréquence change avec le milieuf est fixée par la source ; en changeant de milieu, ce sont v et λ qui changent.
- Confondre fréquence et vitessef (Hz) = oscillations par seconde ; v (m/s) = vitesse de propagation. Reliées par v = λf.
- Oublier que T = 1/fpériode et fréquence sont inverses ; vérifie les unités (s ↔ Hz).
- Croire que toutes les ondes ont besoin d'un milieules ondes électromagnétiques (lumière) se propagent dans le vide ; le son, lui, ne s'y propage pas.
- Confondre hauteur et intensité d'un sonla hauteur (aigu/grave) dépend de la fréquence ; l'intensité (volume) dépend de l'amplitude.
- Croire que les rayons X vont plus vite que les ondes radiotoutes les ondes EM vont à c dans le vide ; ce sont la fréquence et l'énergie qui diffèrent.
- Penser que la source change de fréquence dans l'effet Dopplerla source émet toujours la même fréquence ; c'est la fréquence REÇUE qui monte (rapprochement) ou baisse (éloignement).
- Confondre interférence et diffractioninterférence = superposition de DEUX ondes ; diffraction = UNE onde qui s'étale en contournant un obstacle.
Points clés à retenir
- Une onde transporte de l'énergie, pas de matière ; le milieu oscille sur place.
- Mécaniques (besoin d'un milieu) vs électromagnétiques (même dans le vide).
- et ; vitesse de l'onde ≠ vitesse des particules.
- Changement de milieu : f constante (source), v et λ s'adaptent.
- Transversale () vs longitudinale (). Interférence = superposition (constructive/destructive).
- Diffraction : l'onde contourne/s'étale ; d'autant plus que λ est grande.
- Son : onde longitudinale, besoin d'un milieu ; hauteur ↔ fréquence, intensité ↔ amplitude. Audible 20 Hz à 20 kHz.
- Spectre EM : radio → micro-ondes → IR → visible → UV → X → γ ; toutes à , fréquence et énergie croissantes.
- Effet Doppler : rapprochement ⇒ fréquence perçue plus haute ; éloignement ⇒ plus basse (base de l'écho-Doppler).
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Autres chapitres
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