Chapitre A4 Propriétés des ondes

I. Phénomène de diffraction 1- Définition On appelle diffraction l'ensemble des phénomènes qui accompagnent la propagation d'une onde après interaction avec un système matériel dont la dimension typique est comparable à la longueur d'onde . 2- Diffraction d’une onde par une fente rectangulaire Considérons une onde plane rencontrant un obstacle plan, normal à la direction de propagation, dans lequel est située une fente à bords rectilignes, de largeur a. a faible devant  Une onde diffractée sphérique mais d'amplitude non uniforme, centrée sur la fente se propage à partir de celle‑ci. a de l'ordre de quelques  Dans certaines directions de propagation, l'amplitude de l'onde diffractée est nulle. On observe des franges de diffraction. a beaucoup plus grand que  Le phénomène de diffraction est négligeable dans ce cas, hormis pour les parties de l'onde situées au voisinage immédiat des bords de la fente. 3- Diffraction des ondes sonores La célérité des ondes sonores est voisine de 340 m.s‑1 Fréquences entre 100 Hz et 8 000 Hz Longueurs d'ondes entre 3,4 m et 4 cm environ Les sons graves, de basse fréquence sont donc fortement diffractés par les portes et les fenêtres ouvertes.

II. Diffraction de la lumière 1- Lumière monochromatique a. Diffraction d’un faisceau laser par une ouverture circulaire L’ouverture circulaire a diffracté la lumière. Le rayon r de la tache de diffraction est d'autant plus grand que le diamètre a de l'ouverture circulaire est plus petit. b. Diffraction de la lumière par une fente La figure de diffraction est constituée d'une tache centrale brillante étalée, dans une direction perpendiculaire à la fente et, dans la même direction, de taches brillantes, plus petites et moins lumineuses. Les positions premières des franges de diffraction font, avec l'axe de symétrie de la fente un angle ±  tel que La diffraction est d'autant plus marquée que la largeur de la fente est plus petite. c. Diffraction de la lumière par un fil Le fil a diffracté la lumière dans une direction perpendiculaire au fil. La figure de diffraction est semblable à celle du faisceau laser par une fente.

3- Influence des paramètres 2- Lumière blanche En lumière blanche, il apparaît des irisations, les taches observées sont bordées d'un côté de rouge, de l'autre de violet. 3- Influence des paramètres Quand la dimension de l'objet diffractant diminue, les effets du phénomène de diffraction augmentent. Quand la longueur d'onde de la lumière incidente diminue, les effets du phénomène de diffraction diminuent. Plus la dimension de l'objet diffractant se rapproche de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde  de la lumière incidente, plus la diffraction est importante. 4- Définition de l’écart angulaire L'écart angulaire c est l'angle sous lequel est vue la moitié de la tache centrale depuis l'objet diffractant : c est l’écart angulaire en radian (rad)  longueur d'onde en mètre (m) a dimension de l'objet diffractant en mètre (m)

III. Interférences 1- Cas d’ondes mécaniques - sommet + sommet = sommet = mouvement = ondes en phase - creux + creux = creux = mouvement = ondes en phase - creux + sommet = "rien" = pas de mouvement = ondes en opposition de phase 2- Interférences sonores et ultrasonores S1 et S2 sont reliées au même générateur  le récepteur R le long d'une ligne X'X parallèle à la ligne S1S2 Si d1 = k alors l'onde par  reçue en R en phase avec S1 Si  = d2 - d1= k ondes en R en phase  maximum  interférences constructives Si  = k + /2 les ondes arrivent en opposition de phase.  interférences destructrices - son + son = son mais aussi son + son = silence 3- Interférences lumineuses Les sources doivent être synchrones: Même fréquence Décalage temporel constant (cohérentes) Si  = d2 - d1= k  Ondes en phase  Interférences constructives  Lumière Si  = k + /2  Ondes en opposition de phase  Interférences destructrices  obscurité L’interfrange est la distance entre les milieux de deux raies sombres ou de deux raies lumineuses Mesurer plusieurs interfranges

IV. Effet Doppler 1- Définition L’effet Doppler est la variation de fréquence d’une onde mesurée entre l’émission et la réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps 2- Vitesse relative et variation de fréquence L'émetteur E produit des ondes sonores de fréquence fE qui se propagent à la vitesse conde l'émetteur est immobile A = B = E = l'émetteur se déplace à la vitesse vE < conde en s'approchant de l'observateur B et en s'éloignant de l'observateur A A > et B <   fB > fE le son perçu est plus aigu Pour A  Pour B  3- L’effet Doppler - Fizeau Lorsqu'une étoile ou une galaxie s'éloigne de la Terre, on observe un décalage vers les grandes longueurs d'onde (vers le rouge pour les raies du visible) ce décalage vers le rouge est appelé « redshift ». Inversement, lorsqu'une étoile ou une galaxie se rapproche de la Terre, on observe un décalage vers les petites longueurs d'onde ; ce décalage vers le bleu est appelé « blueshift »