Oscillations et ondes : physique 5e secondaire

Un phénomène périodique se reproduit identique à lui-même ; sa période est la durée d'un cycle et sa fréquence le nombre de cycles par seconde. Une oscillation se décrit par son élongation et son amplitude. Laissée à elle-même, elle s'amortit ; entretenue à sa fréquence propre, elle entre en résonance.

Au jury de la Fédération Wallonie-Bruxelles, ce chapitre fait partie de l'UAA 6 de physique de l'examen de sciences du CESS. Entraîne-toi avec l'examen blanc de sciences corrigé, au format du jury.

Compétences visées

• Décrire et expliquer une application, un phénomène ou une expérience impliquant la transmission d'une information via une onde.

Niveau sonore sans formule ni calcul ; induction limitée à la transmission d'énergie d'une bobine à une autre (WBE 478). En sciences générales, Oscillations et ondes est l'UAA7, en 6e.

Mouvements périodiques

À connaître

• fréquence : $f = \frac{1}{T}$, en $\mathrm{Hz}$, avec $1\ \mathrm{Hz} = 1\ \mathrm{s^{-1}}$
• amplitude : élongation maximale, en $\mathrm{m}$

Méthodes

• Période et fréquence. L'une est l'inverse de l'autre ; on chronomètre plusieurs périodes pour être plus précis.
• Élongation, amplitude et amortissement. L'énergie d'un oscillateur est liée à son amplitude, qui diminue avec les frottements.
• Résonance. Un apport d'énergie à la fréquence propre du système fait croître l'amplitude.

Exercices types

• Un pendule effectue 20 oscillations en 30 s. Calcule sa période et sa fréquence.
• Un cœur bat 72 fois par minute. Calcule la période et la fréquence cardiaques.
• Pourquoi le pont de Tacoma s'est-il effondré ? Explique avec la résonance.

Ondes mécaniques

Une onde propage une perturbation et de l'énergie sans transporter de matière. Elle est transversale si le milieu vibre perpendiculairement à la propagation, longitudinale s'il vibre dans la même direction. La longueur d'onde est la distance parcourue en une période ; la vitesse dépend du milieu.

À connaître

• $v = \frac{\lambda}{T} = \lambda \cdot f$
• vitesse du son : environ $340\ \mathrm{m/s}$ dans l'air, environ $1500\ \mathrm{m/s}$ dans l'eau et plusieurs $\mathrm{km/s}$ dans l'acier
• corde tendue entre deux points fixes : $\ell = n \cdot \frac{\lambda}{2}$, avec $n$ entier

Méthodes

• Onde transversale ou longitudinale. On compare la direction de la vibration à celle de la propagation.
• Relier longueur d'onde, fréquence et vitesse. La longueur d'onde est la vitesse multipliée par la période.
• Concordance et opposition de phase. Deux points distants d'un nombre entier de longueurs d'onde vibrent en concordance.
• Estimer une distance avec le son. La lumière arrive presque instantanément ; le retard du son donne la distance.

Exercices types

• On voit un éclair et on entend le tonnerre 4,5 s plus tard. À quelle distance est tombée la foudre ?
• Une onde sur une corde a une fréquence de 5,0 Hz et une longueur d'onde de 60 cm. Calcule sa vitesse.
• Sur une photo aérienne, deux crêtes de vagues successives sont distantes de 12 m ; une crête passe toutes les 3,0 s. Calcule la vitesse des vagues.
• Deux points d'une corde sont séparés d'une demi-longueur d'onde. Vibrent-ils en concordance ou en opposition de phase ?

Propriétés des ondes et son

Les ondes se réfléchissent, se réfractent, se diffractent et interfèrent ; l'effet Doppler modifie la fréquence perçue quand la source ou l'observateur se déplace. Le son est une onde longitudinale : sa hauteur dépend de la fréquence, son intensité de l'amplitude, son timbre des fréquences qui le composent.

À connaître

• sons audibles : de $16\ \mathrm{Hz}$ à $20\ 000\ \mathrm{Hz}$ ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus
• niveau sonore en $\mathrm{dB}$ : $0\ \mathrm{dB}$ au seuil d'audibilité, $120\ \mathrm{dB}$ au seuil de la douleur
• diffraction marquée quand l'obstacle ou l'ouverture a une taille de l'ordre de $\lambda$

Méthodes

• Réflexion et réfraction. Angle de réflexion égal à l'angle d'incidence ; en changeant de milieu, la vitesse et la longueur d'onde changent, pas la fréquence.
• Diffraction et interférences. Une ouverture de la taille de la longueur d'onde étale l'onde ; deux ondes se renforcent ou s'annulent selon leur phase.
• Effet Doppler. Source qui s'approche : son plus aigu ; source qui s'éloigne : son plus grave.
• Hauteur, intensité et timbre. Fréquence, amplitude et richesse en fréquences d'un son, lues sur un oscillogramme.

Exercices types

• L'échographie Doppler mesure la vitesse du sang. Explique son principe avec l'effet Doppler.
• Pourquoi entend-on une personne cachée derrière un mur sans la voir ? Réponds avec la diffraction.
• Sur deux oscillogrammes, compare la hauteur et l'intensité de deux sons.

Induction et ondes électromagnétiques

Une bobine qui capte un champ magnétique variable devient un générateur : c'est l'induction électromagnétique. Un courant oscillant émet une onde électromagnétique de même fréquence, qui se propage même dans le vide, à la vitesse de la lumière. Le spectre va des ondes radio aux rayons gamma.

À connaître

• $c = \lambda \cdot f$, avec $c = 3{,}00 \cdot 10^{8}\ \mathrm{m/s}$ dans le vide
• lumière visible : d'environ $400\ \mathrm{nm}$ (violet) à environ $750\ \mathrm{nm}$ (rouge)

Méthodes

• Induction entre bobines. Un champ magnétique variable dans une bobine y fait apparaître une tension ; pas de calcul en sciences de base.
• Spectre électromagnétique. Même nature, fréquences différentes : radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, X, gamma.
• Longueur d'onde et fréquence. La vitesse de la lumière divisée par la fréquence donne la longueur d'onde.

Exercices types

• Une radio FM émet à 100 MHz. Calcule la longueur d'onde.
• Classe par fréquence croissante : micro-ondes, rayons X, lumière visible, ondes radio, ultraviolet.
• Décris une expérience qui montre la transmission d'énergie d'une bobine à une autre.

Autres chapitres de 5e

• Rappels du 2e degré : électricité, travail, énergie et puissance
• Forces et mouvements
• Électromagnétisme (partie I)

Les chapitres de 6e secondaire