Les ondes mécaniques progressives périodiques I.Observation de mouvements périodiques par stroboscopie I.a. Les mouvements périodiques Un mouvement qui se répète à intervalles de temps égaux, de manière identique, est dit périodique. La période T est le mis pour que le système se retrouve dans le même état consécutivement La fréquence F (en hertz Hz) est l’inverse de la période T (en seconde s). F= 1 T Exemples : balançoire, pendule, ressort, marée, rotation de la Terre I.b. La persistance rétinienne Expérience de la diode : L’oeil ne peut pas détecter des mouvements qui ne durent pas plus de 0,1 seconde. I.c. Introduction à la stroboscopie La stroboscopie donne l’impression qu’un mouvement périodique est immobilisé ou ralenti dans le temps II.Ondes progressives périodiques à une dimension Définition Une onde progressive périodique est générée par un une source qui impose une perturbation périodique. III.Onde progressive sinusoïdale à une dimension III.a. Définition. Périodicité temporelle T Vous vous baignez dans la mer il y a des vagues vous ne bougez pas. Représenter le niveau de l’eau en fonction du temps Indiquer la période T Exprimer la fréquence F en fonction de T TS Page 1 10 Niveau de l’eau 9 8 7 Période T 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Temps III.b. Périodicité spatiale : longueur d’onde λ Le temps s’est arrêté, vous êtes toujours dans l’eau. Représenter le niveau de l’eau en fonction de la position x quand on se déplace sur la mer pour un instant donné. Indiquer la longueur d’onde λ. 10 Niveau de l’eau 9 Longueur d’onde λ 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 TS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Position x Page 2 III.c. Relation entre la période T et la longueur d’onde λ. Animation Niveau de l’eau 10 La longueur d’onde λ est la distance parcourue par l’onde durant la période T à la vitesse V (V est la célérité de l’onde). On peut donc écrire : 9 8 7 λ 𝛌= 𝐕×𝐓 6 5 4 3 2 𝑡1 1 𝑡3 𝑡2 Position x 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 III.d. Etude mathématique (hors programme) Y M Célérité C de l’onde YM A O xM x Animation 1 Animation 2 Une onde peut-être modélisée par un cosinus ou un sinus : A : amplitude TS Page 3 T : période t : temps (ici variable) 2 .t ) T M reproduit le mouvement de O avec un retard τ (l’onde est passée en O puis en M) x τ= M C 2 .(t ) En xM on écrire que l’élongation vaut Y(t,xM) = A sin( ) T 2 .t 2 .xM soit Y(t,xM) = A sin( ) T C T 2 .t 2 .xM De plus λ = T.C d’où : Y(t,xM) = A sin( ) T Pour simplifier l’écriture on introduit 2 autres grandeurs : 2. ω= = 2π.F en rad.s-1 T 2. k= en rad.m-1 En x0 =0 on peut écrire : Y(t,x0) = A sin ( Périodicité temporelle Périodicité spatiale Y(t, xM) = A sin(ω.t – k.xM ) Cette équation modélise une onde progressive périodique d’amplitude A qui se propage vers les x positifs IV.Cas de milieux à deux ou trois dimensions IV.a. Ondes circulaires à la surface de l’eau : deux dimensions TS Page 4 Animation IV.b. Cas du son : trois dimensions Animation sonores.gif Extrait CPS : le son 1) Quel est le domaine de fréquences audible pour l’homme ? 20 hz - 20 000 Hz 2) Est-ce que le son se propage dans le vide ? Non, car il faut un support matériel 3) Est-ce que la vitesse du son est la même dans tous les matériaux La vitesse du son dépend des matériaux traversés, plus il est dense plus la vitesse du son est grande V.Diffraction des ondes progressives sinusoïdales V.a. Phénomène de diffraction Représenter l’onde après le trou. θ Trouver l’illustration de diffaction TS Page 5 Voir complément Ici représentation de la fonction : 𝜋 𝑎 sin 𝜃 2 𝑠𝑖𝑛 ( ) 𝜆 𝐼 = 𝐴2 ( ) 𝜋 a sin 𝜃 𝜆 2 a Intensité I a a Sin θ 2 a V.b. Influence des dimensions de l’ouverture ou de l’obstacle diffractant 𝐎𝐧 𝐚𝐮𝐫𝐚 𝐥𝐚 𝐩𝐫𝐞𝐦𝐢è𝐫𝐞 𝐞𝐱𝐭𝐢𝐧𝐜𝐭𝐢𝐨𝐧 𝐩𝐨𝐮𝐫 𝝀 𝐬𝐢𝐧 𝜽 = 𝒂 a < λ alors 1 < a = λ donc a > λ alors il n’y pas de direction ou l’amplitude de l’onde est nulle a = 1. La tache centrale est très grosse les minimums sont aux extrémités a 2 <1, < 1 … donc il existe une ou plusieurs directions où a a l’amplitude de l’onde est nulle. A chaque fois que sin θ = k TS a où k = 1, 2,3 … Page 6 amplitude de l'onde a<λ a≈λ -1 a>λ 1 Sin θ Tout phénomène physique pour lequel on observerait un phénomène de diffraction peut-être considéré comme ondulatoire. VI.Milieu dispersif Si la célérité d’une onde dans un milieu donné dépend de la fréquence alors le milieu est dit dispersif. D’après le document ci-contre, est-ce que la surface de l’eau est un milieu dispersif pour les vagues ? On voit que les ondes basses fréquences se propagent moins vites que les ondes de hautes fréquences, donc la surface de l’eau est un milieu dispersif pour les vagues. Est-ce que l’air est un milieu dispersif pour le son ? Non l’air n’est pas vraiment un milieu dispersif pour le son. TS Page 7 7,9,22,25 P 43 TS Page 8