Physique 23 : Les ondes
Ondes et phénomènes périodiques:
• Définition d'un phénomène périodique
• Période et fréquence d'un signal périodique
• Les ondes sonores et électromagnétiques
• La lumière
Santé: 1. Les signaux périodiques
1.1. Définition d'un phénomène périodique
Un phénomène périodique est un phénomène qui se répète de manière
identique lui même à intervalles de temps réguliers.
Exemples:
- La lune effectue un cycle complet de révolution autour de la terre en environ 29 jours. Le mouvement de révolution de la Lune est un phénomène périodique.
- L'intensité d'un courant alternatif, une tension alternative varient
de manière périodique.
- Le son: les vibrations des cordes vocales, de la membrane d'un haut
parleur provoquent localement des variations de pressions périodiques.
celles-ci se communiquent au couches d'air voisines et se propagent
créant ainsi un son.
- Les battements du coeur: un battement de coeur est une succesion de contractions et de relachement des muscles cardiaques qui actionnent des valves et provoquent
ainsi la circulation du sang dans le corps. Ce battement se répète de manière périodique. Pour visualiser l'activité cardiaque, on la convertie en signaux électriques qui permettent d'obtenir un électrocardiogramme.
1.2. Période et fréquence d'un signal périodique
La période est la durée entre deux répétitions d'un phénomène périodique.
On la se note T. Elle s'exprime en seconde, en heure ou en tout autre unité de temps.
Exemples:
la période de rotation terrestre est de 24 heure,
la période d'une battement de coeur est en moyenne d'une seconde.
Pour déterminer une période sur un graphique,
Il suffit de repérer le motif élèmentaire qui se répète puis de déterminer sa durée en tenant compte de l'échelle de représentation.
La fréquence d'un phénomène périodique est le nombre de répétitions du phénomène pendant une seconde.
Plus un phénomène possède une période courte, plus il se répéte un nombre imporant de fois pendant une seconde. Il est donc plus fréquent.
La fréquence se note &fnof:. Son unité légale est le hertz de symbole Hz. Il est aussi possible d'utiliser ses unités dérivées comme le kilohertz.
Exemples
- Le courant électrique alternatif distribué par les prises de secteur a une fréquence de 60 Hz.
- Les battements de coeurs se font à une fréquence de l'ordre du hertz.
- Un microprocesseur d'un PC fonctionne à une
fréqence de l'ordre du gigahertz . Un gigahertz correspond à un
milliard de hertz.
La période T et la fréquence ƒ sont liée par le relation :
ƒ = 1/T
ou
T = 1/ƒ
.
ƒ en Hertz et T en secondes.
Exemple:
Un courant alternatif sinusoïdal de période T = 50 ms.
Sa fréquence&nof; = 1/T = 0,05 = 20 Hz.
2. Les ondes sonores et électromagnétiques
Santé : Ondes et applications médicales
2.1. Définition d'une onde
Une onde , c'est la propagation d'une perturbation,
Autrement dit, c'est à la propagation d'une variation de grandeur physique .
Cependant, le milieu à travers lequel l'onde se prpage
ne se déplace jamais. Celui-ci est juste un support.
Les grandeurs physiques qui peuvent varier et engendrer une onde
peut s'agir:
• d'une déformation transversale (horizontale). C'est
le cas des vagues produites en mer sous l'effet du vent
• d'une déformation longitudinale (verticale).
C'est le cas de faire vibrer le bout d'une corde.
• d'une variation de pression. C'est le cas du son
se propageant dans l'air.
• d'une variation de charges électriques. C'est le cas
champs électriques et magnétiques.
La périodicité d'un phénomènes dépend de celle de sa source. Si cette source possède un mouvement ou une variation physique périodique alors l'onde engendrée l'est aussi et possède la même période et donc la même fréquence.
Si la grandeur physique qui se propage est liée à un milieu matériel,
comme le cas du son dans l'air, alors celle-ci ne peut pas se propager dans le vide.
En particulier les ondes sonores ne peuvent se propager que dans l'air,
un liquide ou dans un solide.
2.2. Ondes sonores
Une onde sonore correspond à la propagation dans un milieu matériel d'une surpression produite de manière périodique par
La vibration d'une corde vocale, ou d'une membrane de haut parleur
ou de n'importe quel objet produit une variation de pression périodique
locale qui se propage à travers un milieu matériel comme l'air.
L'onde ainsi produite est une onde sonore.
L'oreille humaine est en général capable de percevoir des sons dont la fréquence est comprise entre 20 hertz et 20 kilohertz.
Les faibles fréquences correspondent à des sons graves.
Les fréquences élevées correspondent à des sons aigus.
Les fréquences inférieures à 20 Hz sont dites infrasons.
Les fréquences supérieures à 20 kHz sont ultrasons.
La vitesse de propagation du son dépend du milieu matériel:
dans l'air elle est de 340 m/s, dans l'eau douce de 1430 m/s et
dans l'acier de 5700 m/s.
2.3.Les ondes électromagnétiques
Une onde électromagnétique est la propagation du champs électriques et
du champs magnétiques simultanément.
Les champs électriques et les champs magnétiquesn'ont pas besoin de support matériel pour exister ou pour se propager.
les ondes électromagnétiques peuvent se propager aussi bien dans le vide
que dans certaines milieux.
Les ondes électromagnétique diffèrent selon leur fréquences:
• De 3,5 x 1014 Hz à 7.5x 1014 Hz les ondes électromagnétiques correspondent à de la lumière visible,
• En desous de cet interval de fréquence on trouve les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radios,
• Au delà cet interval il y a les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.
3. L'univers: La lumière
La lumière est l'onde électromagnétique visible.
3.1. Propagation de la lumière dans le vide
Dans le vide la lumière se propage en ligne droite. Sa vitesse, aussi appelée célérité, se note c.
c = 3.00 x 108 m.s-1 ou c = 3.00 x 105 km.s-1
3.2.Propagation de la lumière dans la matière
La lumière peut également se propager dans les milieux transparents,
mais avec une vitesse inférieur à celle qu'elle possède dans le vide.
Cependant, dans certains milieux comme l'air, la différence est tellement faible que l'on peut considérer que sa vitesse reste égale à celle dans le vide..
La propagation est également rectiligne dans un milieu transparent à condition que ce dernier soit homogène.
Un milieu est dit homogène s'il possède en tous points les mêmes propriétés physiques (température et pression) et la même composition chimique.
3.3.Le temps de propagation de la lumière
À l'échelle humaine la propagation de la lumière est si rapide qu'elle nous semble instantanée. En effet, pour parcourir une distance de 3 mètres il faut à la lumière un temps t = 3/3 x 108 = 10- 8 s ce qui correspond à 10 milliardièmes de seconde.
Cependant à l'échelle astronomique le temps de propagation prend des délais
plus importants.
Par exemple le Soleil étant à une distance de 1.50 x 108 km de
la terre. La propagation de la lumière dure: t = 1.5 108/3 x 105 = 500 s.
Il faut donc à la lumière du Soleil plus de 8 minutes pour nous parvenir. Nous n'observons donc pas le Soleil tel qu'il existe mais tel qu'il était il y a huit minutes.
Pour les étoiles qui sont beaucoup plus lointaines la durée est encore plus importante et se chiffre au en années. Ainsi la lumière qui provient de Proxima du Centaure (l'étoile la plus proche de la terre) met plus de quatre ans pour nous parvenir.
Ainsi la lumière que nous recevons des étoiles nous les montre telles qu'elles étaient il y a des années voir des siècles, des millénaires ou des millions d'années et non telles qu'elles sont à l'instant.
Plus les astres que nous observons sont lointains plus l'image que nous
en recevons est ancienne.
Dans l'univers observer loins dans l'espace revient à observer loins dans le passé.
3.4. L'année de lumière
A l'échelle astronomique le kilomètre est une unité de longueur qui 'est pas adaptée et l'on utilise souvent une autre unité: l'année de lumière ,
de symbole a.l.
L'année lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année.
.
En kilomètres, l'année de lumière vaut :
= 3 x 105 km.s-1
x 365.25 x 24 x 60 x 60
= 9.47 x 1012 km.
1 a.l = 9.47 x 1012 km
.
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