HPT - enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA17
Conseils didactiques
La lumière est une onde
Quand une onde se propage, elle transporte de l’énergie sans que de la matière ne doive
l’accompagner. Les élèves ont souvent des difficultés à comprendre comment de l’énergie peut se
transmettre de proche en proche, à travers une suite d’objets qui gardent leur position relative. Par
exemple, les élèves comprennent difficilement pourquoi un objet d’un milieu n’accompagne pas
l’onde, à la manière d’un surfeur transporté par une vague.
Les élèves confondent souvent la représentation spatiale d’une onde sinusoïdale, et la représentation
temporelle du mouvement d’un objet du milieu.
De manière globale, les propriétés ondulatoires de la lumière sont délicates à mettre en place car on
ne peut pas en percevoir la vibration avec nos sens. Elles se basent sur des expériences s’opposant
au sens commun (de la lumière plus de la lumière donne de l’obscurité dans l’expérience de Young,
ou la lumière disparaît en tournant un filtre polarisant placé sur un autre), quand elles ne s’opposent
pas carrément à certains principes énoncés précédemment (contrairement à ce qui a été affirmé dans
l’UAA2, la lumière ne se propage pas toujours en ligne droite : elle peut être diffractée en frôlant
certains objets). Si la lumière se propage comme une onde, il est particulièrement difficile d’admettre
l’absence de milieu de propagation.
Développements attendus
Commenter une expérience liée à la propagation d’une onde matérielle à l’aide des concepts de
longueur d’onde et de fréquence (C1).
L’élève met en évidence la relation entre la longueur d’onde et la fréquence de vibration de la source.
Décrire une expérience illustrant le caractère ondulatoire de la lumière (C2).
L’élève décrit une expérience telle que la polarisation, la diffraction par une fente ou par un réseau ou
l’expérience de Young (TP).
L’élève décrit une expérience telle que la polarisation, la diffraction par une fente ou par un réseau ou
l’expérience de Young. Puis, il explique en outre les observations par une analogie avec le
phénomène ondulatoire correspondant dans un milieu matériel (par exemple, l’eau dans la cuve à
onde) (TQ).
Dans une situation concrète, justifier le décalage dans la réception d’un phénomène lumineux et d’un
phénomène sonore émis simultanément au même endroit (A1).
L’élève justifie le décalage dans la réception d’un phénomène lumineux et d’un phénomène sonore
émis simultanément au même endroit par la différence des vitesses de propagation du son et de la
lumière (TP).
L’élève justifie le décalage dans la réception d’un phénomène lumineux et d’un phénomène sonore
émis simultanément au même endroit par la différence des vitesses de propagation du son et de la
lumière. Puis, il estime la distance à laquelle est tombée la foudre (TQ).
HPT UAA17 CD 160811
1
Exemples de situations d’apprentissages
 Percevoir expérimentalement les notions de fréquence/période, longueur d’onde, de vitesse,
d’ondes progressives ou entretenues, de réflexion et de modes stationnaires. (Voir fiche
d’expérience « Etudier les ondes mécaniques à l’aide d’une échelle de perroquet ») → C1

Mettre en évidence expérimentalement les propriétés spécifiques de la propagation des ondes à
plusieurs dimensions, en particulier les fronts d’onde rectiligne et curviligne, la diffraction, les
interférences et l’effet Doppler. (Voir fiche d’expérience « Etudier les propriétés des ondes à deux
dimensions ») → C1, C2

Réaliser des expériences pour étudier des phénomènes mettant en évidence le caractère
ondulatoire de la lumière. (Voir fiche d’expérience « Etudier les propriétés ondulatoires de la
lumière ») → C2

Mener une investigation à propos de la polarisation, de la diffraction ou des interférences de la
lumière, par exemple à l’aide de la boîte « Photonics » (voir à ce sujet notre fiche technique
« Expérimenter avec Photonics » ). → C2

Filmer une succession d’impulsions se propageant dans un long ressort ou une corde avant
qu’elles ne se réfléchissent à son extrémité, et sélectionner quelques images du film où apparait
nettement la longueur d’onde. → C1

Mener une investigation sur la nature de la lumière, suite à l’observation d’un phénomène relevant
de sa nature ondulatoire (l’irisation des plumes de paon ou de certaines ailes de papillons, les
reflets colorés dans une fine couche d’essence ou d’huile, le relevé du taux de. → C2

Faire percevoir les successions d’interférences destructives en se déplaçant face à deux baffles
émettant un même son pur d’environ 1000 Hz et placés à environ 2 m l’un de l’autre, ou en faisant
tourner près de son oreille un diapason en train de sonner. → C2

Mener une investigation à propos de l’écholocation (chauves-souris, sonar…). → C2

Mener une recherche documentaire à propos d’une technologie basée sur la nature ondulatoire
de la lumière (la mesure du taux de glycémie chez les diabétiques, l’évaluation de la vitesse des
véhicules par effet Doppler, le fonctionnement du lecteur de CD…). → C2

Expliquer en termes de vitesses de propagation de signaux le décalage entre le son et l’image
quand quelqu’un situé à une centaine de mètres frappe sur une tôle à l’aide d’un marteau. → C3
Notions mises en place




Lorsque la source d’une onde pouvant se propager dans un milieu à une dimension (une corde,
un long ressort…) effectue un mouvement quelconque, chaque point du milieu reproduit le
même mouvement avec un retard d’autant plus grand que le point est éloigné de la source.
Lorsque la source d’une onde effectue un mouvement de va-et-vient régulier et perpendiculaire
au milieu de propagation, le milieu de propagation prend la forme d’une sinusoïde. La distance
entre deux maxima ou minima successifs de cette sinusoïde correspond à la distance parcourue
par l’onde pendant une période d’oscillation de la source. Cette distance est nommée longueur
d’onde, et est notée . Cette longueur d’onde est liée à la période T et la fréquence f d’un point
quelconque de l’onde par la relation :  = v.T = v/f où v est la vitesse de l’onde.
Lorsque la source d’une onde est un point d’un milieu homogène à deux dimensions, il se forme
des rides circulaires formées de crêtes et de creux, et ayant pour centre la source de l’onde.
La distance entre deux crêtes ou deux creux successifs correspond à la longueur d’onde. La
direction de propagation des ondes est partout perpendiculaire aux rides.
Lorsque la source d’une onde est un segment de droite, il se forme des rides rectilignes
parallèles à la source. La distance entre deux crêtes ou deux creux successifs correspond à la
longueur d’onde. La direction de propagation des ondes est partout perpendiculaire aux rides.
HPT UAA17 CD 160811
2


Propriétés des ondes matérielles
Propriétés correspondantes de la lumière
o Lorsqu’une onde se propageant dans un
milieu à deux ou trois dimensions
rencontre un obstacle entravant en partie
sa progression, l’onde contourne d’autant
plus facilement l’obstacle que sa longueur
d’onde est grande devant les dimensions
de l’obstacle (sa largeur ou sa
profondeur) : on dit que l’onde subit une
diffraction.
Si on place une fente très étroite dans la
trajectoire de la lumière allant d’une source
monochromatique vers un écran, il se forme sur
l’écran un étalement du spot dans une direction
perpendiculaire à la fente. Cet étalement est
d’autant plus marqué que la fente est étroite : il
s’agit d’une diffraction de la lumière. Ce
phénomène n’est explicable qu’en supposant
que la lumière se propage sous forme d’ondes
et que sa longueur d’onde est très petite.
o Lorsque deux ondes circulaires de même
période et amplitude sont émises en deux
points différents d’un milieu à deux ou
trois dimensions, il se forme des zones
(des lignes si le milieu est à deux
dimensions)
où
le
milieu
reste
pratiquement au repos : on dit que les
deux
ondes
présentent
des
interférences, et que la contribution d’une
des ondes annule la contribution de l’autre
onde à certains endroits qui restent alors
au repos.
Si on place deux fentes étroites et très
rapprochées dans la trajectoire de la lumière
allant d’une source monochromatique vers un
écran, il se forme sur l’écran un étalement du
spot dans une direction perpendiculaire aux
deux fentes, et dans cet étalement apparaissent
une succession de zones sombres et de zones
éclairées : il s’agit d’interférences de la
lumière provenant de chacune des deux fentes.
Ce phénomène n’est
explicable qu’en
supposant que la lumière se propage sous
forme d’ondes. Comme la distance entre deux
zones sombres ou claires successives dépend
de la couleur de la lumière, on en conclut que
différentes longueurs d’ondes correspondent à
différentes couleurs monochromatiques.
Si on place un réseau (une dia constitué d’un
très grand nombre de fentes très rapprochées)
dans la trajectoire de la lumière allant d’une
source monochromatique vers un écran, il se
forme sur l’écran des spots supplémentaires de
part et d’autre du spot central. L’écartement des
spots supplémentaires dépend de la couleur de
la lumière.
Si on utilise une lumière
polychromatique telle la lumière blanche, les
spots supplémentaires prennent la forme
d’étalement spectral de la lumière en couleurs
monochromatiques.
o Lorsque le mouvement de la source d’une
onde se fait dans une direction précise,
perpendiculaire au milieu de propagation,
il en est de même de chaque point du
milieu atteint par l’onde : on dit que l’onde
est polarisée. Lorsque le mouvement la
source d’une onde change sans cesse de
direction, tout en restant perpendiculaire
au milieu de propagation, il en est aussi
de même pour chaque point du milieu
atteint par l’onde : on dit que l’onde est
non-polarisée. Un polarisateur est un
dispositif (une grille pour une corde…)
sélectionnant une direction précise
d’oscillation.
Si on place deux filtres polarisants l’un
derrière l’autre dans la trajectoire de la lumière
de telle manière qu’ils laissent passer un
maximum d’intensité lumineuse, et qu’on tourne
un des filtres de 90°, la lumière ne sait plus les
traverser.
En première approche, on admet que la lumière se déplace à une vitesse de 300.000 km/s dans
le vide et dans l’air. Sa vitesse dans l’air est donc près de 1 million de fois plus rapide que le
son.
HPT UAA17 CD 160811
3
Remarques pour le professeur
Comment éviter la confusion entre la notion de période et de longueur d’onde ?
Dans l’UAA12 sur les ondes acoustiques, on avait appris à lire un oscillogramme, qui n’est autre
qu’un graphe de la position de l’oscillateur (un point de la corde d’un instrument de musique, le
tympan de l’oreille, la membrane du micro…) en fonction du temps ; dans cette UAA17, on va
s’intéresser à la forme générale du milieu (la forme de la corde, de la surface de l’eau…) parcouru
par l’onde à un moment donné. Notons que nous supposerons par la suite que l’onde est
transversale, c’est-à-dire que la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation de
l’onde. De plus, nous supposerons que le mouvement de la source est harmonique, c’est-à-dire
que le graphe de sa position en fonction du temps est une sinusoïde. Pour les élèves, on pourra
se contenter de dire qu’il s’agit du mouvement le plus régulier possible, comme dans le cas d’un
son pur. Il vaut mieux effectivement ne plus parler ici de graphe de la position en fonction du temps
et encore moins de les représenter, pour ne pas provoquer de confusion avec la représentation de
l’ensemble du milieu à un moment donné, comme dans une photographie.
Concrètement, la notion de longueur d’onde pourra être introduite en représentant la forme du
milieu tous les quarts de période d’oscillation de la source (par exemple tous les quarts de seconde
si la période est de une seconde), et en montant comment une impulsion unique (uniquement la
première « bosse » positive d’une sinusoïde) se déplace progressivement. Ensuite, on ajoutera le
premier « creux » qui suit la première bosse, puis une nouvelle « bosse ». Il deviendra alors clair
que la longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde pendant une période d’oscillation de la
source. Il est bon que l’enseignant garde à l’esprit la distinction entre la périodicité temporelle d’une
onde (caractérisée par la période dans l’UAA12) et sa périodicité spatiale (caractérisée dans cette
UAA par la longueur d’onde), même si cette distinction ne doit pas être abordée avec les élèves.
L’utilisation d’une cuve à onde est-elle indispensable ?
Le développement attendu C2 implique que l’on ait mené en classe une expérience montrant la
diffraction, les interférences et/ou la polarisation de la lumière, ainsi que son correspondant avec
des ondes en milieu matériel. La diffraction ou les interférences des ondes matérielles implique
nécessairement l’utilisation d’un milieu à deux (ou trois) dimensions et c’est la cuve à ondes qui
permet la meilleure observation de ces phénomènes. Ceci dit, on peut éventuellement se
contenter d’une cuve à onde rudimentaire (voir fiche FE2) qui permet de mettre en évidence de
manière appréciable la diffraction, et renvoyer à des documents ou des simulations pour les
interférences. On veillera toutefois alors à mener une expérience d’interférence d’ondes sonores.
Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante
 Les séismes et les tsunamis.

La diffraction des ondes sonores et l’écholocation.

Les murs antibruits et la hauteur des sons.

La polarisation et les lunettes de soleil ou la vision en 3D.
HPT UAA17 CD 160811
4
Les ondes électromagnétiques
La transmission d’un phénomène électromagnétique à distance sans nécessité d’un support de la
matière est difficile à concevoir, même pour un public averti. Ceci est d’autant plus mystérieux que la
plupart des ondes électromagnétiques ne sont pas directement observables par nos sens, mais
nécessitent un appareillage. Et l’aspect dangereux de ces ondes (en particulier les micro-ondes, les
ultraviolets ou les rayons X) à certaines doses ou sous certaines formes n’en facilite pas toujours la
compréhension.
Développements attendus
Associer différentes technologies au spectre électromagnétique (C3).
L’élève associe des technologies quotidiennes avec des informations (par exemple : fréquence,
longueur d’onde) se trouvant sur un document présentant le spectre des ondes électromagnétiques
(TP).
L’élève associe des technologies quotidiennes avec des informations (par exemple : fréquence,
longueur d’onde) se trouvant sur un document présentant le spectre des ondes électromagnétiques.
Puis, il manie adéquatement les préfixes usuels en calculant les longueurs d’onde à partir des
fréquences et vice-versa (TQ).
Justifier l’appellation d’ionisantes pour certaines ondes électromagnétiques (C4).
L’élève explique que certaines ondes ont la capacité de transformer les molécules en éjectant leurs
électrons périphériques.
Sur base expérimentale, décrire l’action d’un rayonnement électromagnétique (A2).
Sur base d’une expérience mettant en évidence l’effet thermique, biologique, chimique ou
photoélectrique d’un rayonnement électromagnétique, l’élève décrit le montage expérimental utilisé et
l’action du rayonnement.
Sur base d’une recherche documentaire, expliquer le principe d’une technologie utilisant les ondes
électromagnétiques pour observer (T1).
Pour une technologie (par exemple : le radar, la caméra infrarouge, le scanner, la radiographie),
l’élève précise le nom du dispositif, le type d’onde utilisé et les observations qu’il permet.
Mener une recherche sur les effets d’un type d’onde électromagnétique (T2).
L’élève rassemble des informations sur les effets sanitaires ou environnementaux d’un type d’onde
(par exemple : les infrarouges, les ultraviolets, les microondes, les ondes GSM, les rayons X).
Exemples de situations d’apprentissages
 Mettre en relation le concept d’ondes électromagnétiques avec quelques phénomènes classiques
des circuits électriques. (Voir fiche d’expérience « Expériences d’introduction aux ondes
électromagnétiques ») → A2

Produire et capter des ondes hertziennes, mettre leur polarisation, la réflexion et les interférences
en évidence. (Voir fiche technique « Emetteur et récepteur d’ondes hertziennes ») → C3, A2

Mener une recherche sur le fonctionnement du four à microondes, déposer du chocolat ou des
tranches de fromage sur une surface en plastique rigide et l’insérer dans le four (en ayant
préalablement retiré le plateau tournant) pour mettre des interférences de microondes en
évidence. → C3, A2, T2

Mener une investigation sur les conditions les plus favorables de fonctionnement d’un GSM
(localisation par rapport aux antennes, présence d’écrans métalliques, conditions de sécurité…)
→ C3, A2, T2

Utiliser un thermomètre à infrarouge ou une caméra thermique pour faire un relevé des
déficiences dans l’isolation d’un mur donnant vers l’extérieur. → C3, A2, T1

Construire un panneau solaire thermique, ou un four solaire. → C3, A2, T1

Convertir une web-cam en caméra infrarouge (voir fiche technique « Fabrication et utilisation d’un
spectromètre »). → C3, A2, T1

A l’aide d’un spectroscope pour lumière visible, analyser la présence d’infrarouges et d’ultraviolets
proches, ainsi que la répartition des couleurs monochromatiques pour diverses sources lumineuse
(voir fiche technique « Fabrication et utilisation d’un spectromètre »). → C3, A2
HPT UAA17 CD 160811
5

Montrer l’action d’une source ultraviolette sur une surface luminescente, puis intercaler des
feuilles de plastique recouvertes de diverses crèmes solaires et commenter leur effet. → C3, A2,
T2

Demander à son dentiste des informations sur la source ultraviolette qu’il utilise pour polymériser
les résines composites. → C3, T1

Mener une recherche sur l’histoire des rayons X. → C3, C4, T1

Mener une investigation visant à établir un tableau comparatif des différentes méthodes
d’imagerie médicales. → C3, C4, T1

Commenter le fonctionnement d’un compteur Geiger et les risques liés à la radioactivité. → C3,
C4, T2

Enquêter sur certaines professions à risque (industrie nucléaire, personnel médical, aviation…) du
fait des radiations ionisantes auxquelles ces travailleurs sont soumis. → C4, T2

Mener une recherche sur le mécanisme de vision de certains animaux (les reptiles voient dans
l’infrarouge, certains ruminants tels les élans dans l’ultraviolet…). → A2, T1
Notions mises en place



Une onde électromagnétique est une onde où s’associent continuellement un phénomène
électrique variable avec un phénomène magnétique variable. Elle n’a pas besoin d’un support
matériel pour se propager et peut donc se déplacer dans le vide. Comme la lumière, on admet
qu’elle se propage à une vitesse de 300.000 km/s dans le vide et dans l’air. L’onde
électromagnétique peut aussi être polarisée, présenter des interférences, être diffractée,
réfléchie…
Le spectre électromagnétique est le classement de tous les types d’ondes électromagnétiques
existants en fonction de leur fréquence (ou de leur longueur d’onde). Par ordre de fréquences
croissantes, on distingue :
o Les ondes radio (aussi appelées hertziennes) qui sont utilisées pour les transmissions
de radio ou de télévision (en absence de câble et de Wifi).
o Les micro-ondes qui sont utilisées par les radars, les téléphones mobiles (GSM), les
systèmes Wifi et les fours à micro-ondes.
o Les infrarouges qui sont naturellement émis par tous les objets en fonction de leur
température. La détection des infrarouges émis par un objet permet donc de mesurer la
température de sa surface. Les infrarouges sont aussi utilisés pour les télécommandes
d’appareils électroménagers, qui nécessitent une visibilité directe.
o La lumière visible, qui est par définition la partie du spectre électromagnétique que peut
détecter l’œil humain.
o Les ultraviolets qui sont émis par certaines lampes ainsi que par le Soleil et qui peuvent
activer les réactions chimiques et provoquer des lésions irréversibles de la peau.
o Les rayons X qui sont capables de traverser la matière faite d’atomes légers, mais sont
arrêtés par la matière faite d’atomes plus lourds. Ils sont utilisés lors des radiographies
et des scanners (examens des tissus internes d’un organisme sans devoir opérer).
o Les rayons  (gamma), qui sont émis lors de certaines désintégrations radioactives, sont
extrêmement pénétrants et ne sont arrêtés que par une épaisse couche de béton, de
plomb ou d’eau. Une désintégration radioactive est une modification spontanée de
certains atomes (certains isotopes précis) au cours de laquelle l’élément chimique
change de nature et émet de la radioactivité.
Les rayons X, les rayons  et les rayons ultraviolets ont un caractère ionisant, ce qui signifie
qu’ils sont capables d’arracher des électrons aux atomes qu’ils frôlent. Ce phénomène peut
provoquer des mutations génétiques dans les organismes vivants. Il faut donc se protéger des
ultraviolets, des rayons X et , et ne pas abuser des examens radiographiques, surtout dans les
premiers mois de grossesse.
HPT UAA17 CD 160811
6
Remarques pour le professeur
Quel formalisme donner aux ondes électromagnétiques ?
Alors que la première partie de cette UAA insistait sur une certaine argumentation scientifique pour
les aspects ondulatoires de la lumière, cette seconde partie vise à établir des liens avec les
utilisations technologiques, sans insister sur le formalisme ardu des ondes électromagnétiques. Au
niveau quantitatif, on se bornera à utiliser la relation entre la fréquence et la longueur d’onde à
l’occasion du commentaire de certaines parties du spectre des ondes électromagnétiques.
Liens avec les autres disciplines, liens avec la vie courante
 L’histoire de la radio.

L’information digitale.

L’isolation thermique des maisons.

L’imagerie médicale.
Ressources
Physique 6ème, Y. Verbiest et all, De Boeck, 2012
Séquence vidéo en noir et blanc (date un peu, mais bien conçue), qui illustre les notions d’ondes
progressives
et
stationnaires :
http://www.intellego.fr/soutien-scolaire-cpge-2-psi/aide-scolairephysique/video-ondes-progressives-reflexion-superposition-onde-stationnaire/59600
Quelques exercices sur la relation fréquence/longueur d’onde : http://www.ilephysique.net/sujet-cuvea-ondes-relation-entre-frequence-longueur-d-onde-et-celeri-272468.html
Applet simulant le comportement d’une cuve à ondes. La longueur d’onde et la taille de l’ouverture
sont paramétrables, et une mire déplaçable permet de mettre en évidence les variations d’amplitude
selon la direction d’observation à la sortie de la fente : http://www.sciences.univnantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/cuve_ondes/diffraction.php
Vidéo
« Le
côté
obscur
de
la
lumière »
sur
la
polarisation :
https://www.youtube.com/watch?v=5L1mFYTntGk&gl=BE
HPT UAA17 CD 160811
7