Waves: Mechanical and Electromagnetic Theory

Rappels sur les Ondes : Fiche Synthèse

Une onde est la propagation d'une perturbation qui produit une variation des propriétés physiques d'un milieu. Il y a transport d'énergie sans transport de matière.

1. Types d'Ondes

Ondes Mécaniques	Ondes Électromagnétiques (OEM)
Nécessitent un milieu matériel (solide, liquide, gaz) pour se propager. Ne se propagent pas dans le vide.	N'ont pas besoin de milieu matériel. Se propagent dans le vide.
Exemples : son, houle, ondes sismiques, vibration d'une corde.	Exemples : lumière visible, ondes radio, micro-ondes, rayons X, rayons gamma ().

2. Propriétés Générales des Ondes

• Célérité () : Vitesse de propagation de l'onde. Elle dépend du milieu.

  (v en m/s, d en m, en s)

• Onde transversale : La déformation est perpendiculaire à la direction de propagation. (Ex: vague, corde)
• Onde longitudinale : La déformation est parallèle à la direction de propagation. (Ex: son, ressort)
• Superposition : Deux ondes peuvent se croiser sans se perturber.

3. Ondes Périodiques

Une onde est périodique si la perturbation se répète à intervalles de temps égaux.

• Périodicité temporelle :
  • Période () : Plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se répète identiquement. Unité : seconde (s).
  • Fréquence () : Nombre d'oscillations par seconde. Unité : Hertz (Hz).
  • Relation :
• Périodicité spatiale :
  • Longueur d'onde () : Distance minimale entre deux points qui vibrent en phase. C'est la distance parcourue par l'onde pendant une période . Unité : mètre (m).
  • Relation :

4. Ondes Électromagnétiques et Lumière

• Célérité dans le vide () : .
• Indice de réfraction () d'un milieu : Rapport entre la célérité dans le vide et la célérité dans le milieu ().

  (toujours )

• Spectre visible : L'œil humain est sensible aux longueurs d'onde comprises entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge).
• Lois de Snell-Descartes (Optique Géométrique) :
  • Réflexion : L'angle d'incidence égale l'angle de réflexion .
  • Réfraction : Changement de direction à l'interface de deux milieux.

5. Spectres Lumineux

Spectres d'Émission	Spectres d'Absorption
Lumière émise directement par une source. Spectre Continu : émis par un corps solide, liquide ou gaz dense chauffé. Toutes les couleurs sont présentes. Spectre de Raies : émis par un gaz à basse pression chauffé. Seules quelques raies colorées sont visibles. C'est la signature de l'élément chimique.	Obtenu quand une lumière blanche traverse une substance (gaz froid). Le gaz absorbe certaines longueurs d'onde. Le spectre est continu mais présente des raies noires. Les raies d'absorption d'un élément correspondent exactement à ses raies d'émission.

Loi de Wien : Lie la température de surface () d'un corps chaud à la longueur d'onde de son maximum d'émission ().

Attention : La température doit être en Kelvin (K) :

6. Interaction Onde-Corpuscule et Quantification

La lumière est composée de particules d'énergie appelées photons.

• Énergie d'un photon () :
  • : Constante de Planck ()
  • est en Joules (J). Souvent exprimée en électron-volt (eV) :
• Niveaux d'énergie de l'atome :
  • L'énergie d'un atome est quantifiée : elle ne peut prendre que des valeurs discrètes (niveaux d'énergie).
  • État fondamental : Niveau d'énergie le plus bas.
  • État excité : Tout niveau d'énergie supérieur.
• Transitions électroniques :
  • Absorption : Un atome passe à un niveau supérieur en absorbant un photon dont l'énergie est exactement égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux .
  • Émission : Un atome excité retourne à un niveau inférieur en émettant un photon d'énergie exactement égale à .
  • Relation de transition :