Notion de base de la physique

créé le: 20170103
mis à jour le: 20170128

Résumé physique notion de base 

Ce document illustre des concepts de base utilisés en physique.

Ondulation ou Oscillation

L'onde est un concept et un phénomène fondamental pour la compréhension du monde physique. C'est pour cette raison que nous allons le détailler.

Il n'existe propablement pas de concept-phénomène dont l'application soit aussi universelle. On retrouve les ondes partout. On peut dire que le monde est fait d'ondes. Le m'onde devrait-on écrire, pour signifier que ce sont les ondes qui me permettent de voir le monde mais aussi que sa nature profonde est ondulatoire.

Ondes lumineuses qui pénêtre mes yeux, ondes acoustiques qui pénêtrent mes oreilles. On verra plus loin que les autres sens humain sont aussi basés sur des ondes mais à un niveau plus fin de la matière qui correspond aussi à des énergies plus grandes. Il s'agit du niveau quantique de la matière.

En même temps, il n'y a rien de plus simple à comprendre qu'une onde car tout le monde a vu des ondes se déplacer à la surface de l'eau, après y avoir jeté un caillou.

Observons une onde à la surface de l'eau, observons l'ondulation.

Imaginons une roue à haube placé au bord de la surface d'un étang, mue par un petit moteur et tournant à une vitesse régulière. Chaque palle de la roue va frapper l'eau et produire une vague à intervalle régulier. Les vagues vont se propager sur toutes la surface de l'étang.

Si l'on se place en un point fixe de la surface de l'eau au milieu de l'étang par exemple, comment se déroule l'ondulation ? On peut visualiser le mouvement de l'ondulation complète en plaçant un bouchon de liège à la surface, on le voit donc successivement: monter au dessus de la surface normale de l'eau quand le sommet de la vague arrive, redescendre enuiste au niveau de la surface, continuer à descendre sous la surface lorsque c'est au tour du creux de la vaque d'arriver et remonter encore au niveau de la surface de l'eau. Le bouchon à parcouru une oscillation complète et s'apprête à recommencer avec la vague suivante.

Période d'une onde

L'onde est un phénomène temporel. Le temps mis pour une ondulation complète à se dérouler est appelé la période de l'onde. La période est donc une durée et se mesure en seconde.

L'onde est aussi un phénomène spatial, l'onde se propage dans l'espace: la vague avance à la surface de l'eau.

L'ondulation observée dans le temps en un point peut être aussi visualisé en un instant dans l'espace. On peut visualiser la forme de l'onde si l'on prend une photo.

Longueur d'onde

La longueur sur laquelle on peut observer une ondulation complète est appelée la longueur d'onde. La longueur d'onde se mesure donc en mètre.

La forme d'un tel mouvement est appelée sinusoïde.

Une caractéristique importante de l'onde est le fait qu'elle ne déplace pas de matière mais seulement de l'énergie. Les vagues de la mer ne font pas bouger la mer qui en moyenne reste en place mais l'énergie des vagues use les falaises.

Si on divise la longueur d'onde par la période de l'onde, on obtient la vitesse à laquelle l'onde se propage, c'est la Vitesse de propagation ou Célérité..

Amplitude d'une onde

La hauteur de la vague est appelée l'amplitude de l'onde. L'amplitude est aussi une caractéristique de l'onde.

La propriété principale des amplitudes, c'est qu'elles s'aditionnent: une vague rencontrant une autre vague crée une vague plus haute, inversement une vague rencontrant un creux s'annulle, se soustrait.

Fréquence d'une onde

La fréquence est l'inverse de la période. La fréquence est le nombre de fois que se déroule une ondulation en une seconde puisque la période est le nombre de seconde qu'il faut à une ondulation pour se dérouler.

C'est donc le nombre de fois par seconde que se produit un phénomène.

Le nombre de fois par seconde à été baptisé "Hertz" du nom du physicien qui fut le premier à produire des ondes électromagnétiques artificielles à partir de circuits électriques oscillants.

La propriété principale de la fréquence, période ou longueur d'onde qui sont des aspects de la même réalité ondulatoire, lorsqu'on considère deux ondes est le rapport qu'elles entretiennent, au sens multiplicatif du terme.

Le rapport entre les fréquences de deux ondes, détermine les phénomènes qui peuvent se produire.

Si deux ondes ont la même fréquence, ou longueur d'onde, on voit tout de suite qu'elle vont entretenir le même rapport en tout point de l'espace ou à tout instant puisqu'elle varie avec la même vitesse.

En effet consiéderant cette condition de fréquence identique pour deux ondes, si on considére à un instant et un lieu donné quelle est la valeur de l'amplitude pour les deux ondes à travers leur différence. Cette différence redeviendra la même au bout d'une période. Il y a donc quelque chose qui est conservé à travers le temps et l'espace.
Cette chose qui est conservé est la phase.

On pourrait ainsi dire que l'amplitude est lié à l'addition alors que la fréquence est liée à la multiplication.

Interférence

Lorsque deux ondes se superposent ont dit qu'elles interfèrent. Si on reprend l'exemple ci-dessus d'une onde à la surface de l'eau en considérant non pas une mais deux roues à aube identiques placées symétriquement de chaque coté de l'étang, on verra les deux ondulations se propager puis se rencontrer et se mélanger.
Que se passe-t-il alors pour le bouchon au milieu de l'étang.
Supposons qu'à l'endroit où se trouve le bouchon arrive en même temps les vagues des deux ondulations, le bouchon va se retrouver soulevé d'une hauteur qui correspond à la somme des hauteurs des deux vagues. On dit que les amplitudes des ondulations s'ajoutent pour donner une ondulation d'amplitude plus grande. Les ondes continuent à avancer et si leur longueur d'onde sont identique, ce qui est le cas avec deux dispositifs identiques, les creux aussi vont être synchronisé à l'endroit où se trouve le bouchon.
Le bouchon à cet endroit va donc subir une ondulation deux fois plus importante. On dit qu'a cet endroit les deux ondes interfèrent de manière constructrice parce qu'elle sont en phase.
Supposons maintenant au contraire que le bouchon se trouve à un endroit où lorsque la vague d'une ondulation arrive, c'est le creux de l'autre ondulation qui arrive. De la même manière les ondulations vont se superposer mais comme elle sont de sens différent, elle vont s'annuler l'une l'autre et le résultat sera à cet endroit que le bouchon n'oscillera pas exactement comme s'il n'y avait pas d'ondulation. On dit alors qu'à cet endroit les deux ondes interfèrent de manière destructrice parce qu'elles sont en opposition de phase.

La lumière étant de nature ondulatoire (onde électromagnétique) on peut produire des interférences lumineuses. Pour cela il faut une lumière monochromatique (une seule fréquence).

Ainsi on peut dire qu'à l'endroit où la lumière s'oppose à la lumière, elle crée l'obscurité. Si cela se produit alors à un autre endroit c'est le contraire: la lumière se superposant à la lumière donnera une lumière plus intense.

Phase d'une onde

La phase est une caractèristique d'une onde relative à une autre onde.
La notion n'existe que parce que l'on considère deux ondes et que l'on regarde comment elles se synchronisent. Pour avoir une vision simple de la phase , il faut considérer deux ondes qui ont la même fréquence ou même longueur d'onde.

On dira que deux ondes sont en phases si leur amplitude atteignent leur maximum (haut de la vague) en même temps au même endroit. Si cela se produit on comprend qu'il en est de même pour le minimum (creux de la vague) ainsi que la valeur nulle de l'amplitude (le niveau de l'eau).

Les ondes peuvent donc se synchroniser:

  • en phase, comme on vient de le décrire,
  • en opposition de phase, lorsque le minimum de l'amplitude d'une onde correspond au maximum de l'autre et vice-versa,
  • ou bien dans toutes les situations intermédiaires de décalage de la phase. On parle alors d'avance ou de retard de phase.

    Ondes stationnaires

    Les ondes stationnaires sont un phénomène ondulatoire trés important. Comme leur nom l'indique ces ondes sont immobiles. Comment cela est-il possible ?

    Dans l'exemple précédent avec deux ondulations qui se superposent (interfèrence) , il y a apparition d'ondes stationnaires.

    En effet l'endroit où les ondes s'annulent par interférence destructrice est stable car la vitesse de propagation de l'onde et sa longueur d'onde sont constantes.

    Le bouchon placé à cet endroit s'il ne dérive pas restera parfaitement immobile dans le lac agité par les vagues comme si c'était le calme plat.

    Les endroits d'amplitude nulle sont toujours les mêmes et les endroits d'amplitude maximale sont aussi toujours les mêmes.

    Si on regarde la surface au milieu de l'étang on remarque bien l'aspect stationnaire des ondulations.

    On peut trés facilement reproduire des ondes stationnaires dans un verre ou un bol. Il suffit de remplir un verre d'eau et de faire vibrer soit en le tapant légérement et régulièrement, soit en le plaçant sur un objet vibrant comme une machine à laver en marche par exemple. On peut aussi placer une casserole à moitié rempli d'eau sous un robinet qui goutte.
    La chute des gouttes étant régulière, si elles tombent juste au centre de la casserole, elles provoqueront une onde qui se propagera vers les bords de la casserole. L'onde se réfléchira sur les bords de la casserole et repartira en sens inverse vers le centre, c'est à dire son origine, en se combinant à l'onde issue d'une autre goutte.

    Comme le phénomène est régulier, les ondes stationnaires apparaitront et prendront la forme de cercles concentriques qui se dessineront à la surface de l'eau.

    Que les ondes aient pour origine la chute de la goutte d'eau ou la vibration des bords du verre, le même phénomène d'ondes stationnaires apparaît.

    L'onde stationnaire est un concept puissant qui permet de comprendre comment un phénomène statique peut provenir d'un phénomène dynamique. C'est un des éléments qui permet d'intégrer la vision quantique. Par opposition dans la vision classique on part de phénomène statique qui sont les objets qui nous entourent et on pense ensuite en terme de mouvements de ces objets.

    Parmis tout ce que nous venons de voir concernant le concept d'onde, les caractéristiques qui définissent globalement une onde sinusoïdale sont l'amplitude, la fréquence et la phase, cette dernière étant relative au rapport de synchronisation entre deux ondes.