Oscillations et ondes : physique 6e secondaire

Un oscillateur harmonique est rappelé vers l'équilibre par une force proportionnelle à l'élongation ; son élongation varie comme un sinus. Sa période propre dépend de la masse et de la raideur du ressort, ou de la longueur du pendule, pas de l'amplitude. Son énergie passe sans cesse de la forme cinétique à la forme potentielle.

UAA de 6e en sciences générales. Contenu d'après les clarifications du SeGEC : oscillateur harmonique, résonance, ondes à une et deux dimensions, acoustique, optique ondulatoire, ondes électromagnétiques et aspects quantiques. En sciences de base, ce thème est l'UAA6, en 5e.

Oscillateur harmonique

À connaître

• élongation : $x(t) = A \sin(\omega t + \varphi)$, avec $\omega = \frac{2\pi}{T}$
• masse et ressort : $T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$ ; pendule simple : $T = 2\pi\sqrt{\frac{\ell}{g}}$
• force de rappel : $F = -k x$ ; énergie : $E = \frac{1}{2} k A^2$

Méthodes

• Équation horaire. Amplitude, pulsation et phase à l'origine se lisent sur le graphique de l'élongation.
• Période propre. Elle ne dépend que du système : masse et raideur, ou longueur et pesanteur.
• Énergie de l'oscillateur. Sans frottement, l'énergie totale reste constante ; elle est proportionnelle au carré de l'amplitude.
• Oscillations forcées et résonance. L'amplitude devient maximale quand l'excitateur a la fréquence propre du résonateur.

Exercices types

• Une masse de 200 g est suspendue à un ressort de raideur 20 N/m. Calcule la période des oscillations.
• Quelle longueur doit avoir un pendule simple pour avoir une période de 2,0 s ?
• Un oscillateur a une amplitude de 5,0 cm et une période de 0,50 s. Calcule sa vitesse maximale.

Ondes progressives et son

Une onde progressive transporte de l'énergie à la vitesse de propagation ; sa longueur d'onde est la distance parcourue en une période. Réflexion, réfraction, diffraction, interférences et effet Doppler sont communs à toutes les ondes. L'intensité d'un son diminue avec le carré de la distance et son niveau s'exprime en décibels.

À connaître

• $v = \lambda \cdot f$
• intensité d'une source ponctuelle : $I = \frac{P}{4\pi r^2}$, en $\mathrm{W/m^2}$
• niveau sonore : $L = 10 \log\frac{I}{I_0}$, avec $I_0 = 10^{-12}\ \mathrm{W/m^2}$
• ondes stationnaires sur une corde : $\ell = n \cdot \frac{\lambda}{2}$

Méthodes

• Relier longueur d'onde, fréquence et vitesse. La vitesse de propagation est la longueur d'onde fois la fréquence ; la fréquence ne change pas d'un milieu à l'autre.
• Intensité et niveau sonore. Multiplier l'intensité par 10 ajoute 10 dB.
• Ondes stationnaires. Nœuds et ventres ; la corde vibre à des fréquences multiples de la fondamentale.
• Propriétés des ondes. Réflexion, réfraction, diffraction, interférences et effet Doppler, observés en cuve à ondes.

Exercices types

• Un haut-parleur émet un son de 440 Hz dans l'air, où le son va à 340 m/s. Calcule la longueur d'onde.
• Un son a une intensité de 1,0·10⁻⁵ W/m². Calcule son niveau sonore. Que devient-il si on double la distance à la source ?
• Une corde de guitare de 65 cm vibre sur son mode fondamental à 330 Hz. Calcule la vitesse des ondes sur la corde.

Lumière : ondes et photons

La diffraction et les interférences montrent que la lumière est une onde. C'est une onde électromagnétique, comme les ondes radio ou les rayons X, qui se propage dans le vide à la vitesse c. Pour l'effet photoélectrique, on la décrit comme un flux de photons dont l'énergie est proportionnelle à la fréquence.

À connaître

• $c = \lambda \cdot f$, avec $c = 3{,}00 \cdot 10^{8}\ \mathrm{m/s}$
• fentes de Young : interfrange $i = \frac{\lambda D}{a}$
• énergie d'un photon : $E = h \cdot f$, avec $h = 6{,}63 \cdot 10^{-34}\ \mathrm{J \cdot s}$ ; $1\ \mathrm{eV} = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{J}$

Méthodes

• Diffraction et interférences lumineuses. Franges brillantes et sombres ; l'interfrange grandit avec la longueur d'onde.
• Ondes électromagnétiques. Même vitesse dans le vide, fréquences très différentes, usages et dangers différents.
• Photon. L'énergie d'un photon est la constante de Planck multipliée par la fréquence.

Exercices types

• Deux fentes distantes de 0,20 mm sont éclairées par un laser ; sur un écran à 2,0 m, l'interfrange vaut 6,5 mm. Calcule la longueur d'onde.
• Calcule l'énergie d'un photon de lumière verte de 530 nm, en joules et en électronvolts.
• Pourquoi les ultraviolets peuvent-ils abîmer la peau alors que l'infrarouge ne fait que la chauffer ?

Autres chapitres de 6e

• Électromagnétisme (partie II)
• Sources d'énergie, de l'atome à l'éolienne
• Matière et énergie
• La Terre et le cosmos

Les chapitres de 5e secondaire