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Ondes progressives : types, vitesse et équation

Une onde transporte de l'énergie d'un endroit à un autre sans transporter la matière. Dans une onde transversale, les particules bougent perpendiculairement à l'onde ; dans une onde longitudinale, elles bougent dans la même direction. Vitesse : v = fλ. Sur une corde, v = √(T/μ) ; pour le son dans un gaz, v = √(γP/ρ). Une onde qui avance vers +x s'écrit y = A sin(kx − ωt), avec k = 2π/λ et ω = 2πf.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Une rangée de perles porte une onde transversale. Chaque perle monte et descend seulement. La forme de l'onde avance vers la droite. Les perles restent là ; c'est l'énergie qui voyage.
  2. Voici maintenant une onde longitudinale. Les perles vont et viennent le long de la ligne. Les endroits serrés sont des compressions, les endroits écartés sont des dilatations. Le son fonctionne ainsi.
  3. De la crête à la crête suivante, il y a une longueur d'onde λ. Si f ondes passent chaque seconde, l'onde avance de f × λ mètres par seconde : v = fλ.
  4. Suis la perle rouge. Sa hauteur est y = A sin(kx − ωt). Les perles plus loin font le même mouvement un peu plus tard : elles ont du retard de phase.
  5. La vitesse dépend du milieu. Si on tend la corde, v = √(T/μ) augmente. La fréquence reste la même, donc la longueur d'onde devient plus grande.
  6. Jeu libre : change le type d'onde, puis la fréquence, l'amplitude et la tension. Lis λ et v sous l'image.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Si les perles ne voyagent pas, qu'est-ce qui voyage ?

L'énergie et la forme de la perturbation. Chaque perle transmet la poussée à la suivante.

Comment le son peut-il être une onde si l'air ne monte pas et ne descend pas ?

Les couches d'air vont et viennent le long de l'onde, ce qui crée des compressions et des dilatations. C'est une onde longitudinale.

Pourquoi v = fλ ?

En une période, l'onde avance exactement d'une longueur d'onde. Il y a f périodes par seconde, donc elle avance de fλ par seconde.

Pourquoi y a-t-il un signe moins dans kx − ωt ?

Il fait avancer la forme vers +x. Quand t grandit, on retrouve la même phase à un x plus grand.

Une fréquence plus haute fait-elle aller l'onde plus vite ?

Non. La vitesse est fixée par le milieu. Une fréquence f plus haute donne juste une longueur d'onde λ plus courte, avec la même vitesse v.

Pourquoi une corde plus tendue transmet-elle les ondes plus vite ?

Une tension plus grande tire plus fort sur chaque petit morceau de corde, donc la perturbation se transmet plus vite : v = √(T/μ).

Qu'est-ce qu'une onde ? Ondes transversales et longitudinales

Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu et transporte de l'énergie, alors que chaque particule du milieu ne fait que de petits mouvements autour de sa propre place.

Les ondes mécaniques transversales ont besoin d'un milieu qui résiste aux changements de forme. Elles se propagent donc dans les solides et sur les cordes, mais pas à l'intérieur d'un gaz. Les ondes longitudinales peuvent se propager dans les solides, les liquides et les gaz.

Une onde progressive (qui voyage) continue d'avancer en transportant de l'énergie.

Longueur d'onde, fréquence et vitesse de l'onde

En une période, l'onde avance d'une longueur d'onde, donc v = λ/T = fλ.

La vitesse dépend du milieu

Équation du déplacement d'une onde progressive

Pour une onde qui avance vers +x, le déplacement de la particule située en x à l'instant t est

y(x, t) = A sin(kx − ωt + φ)

Vitesse de l'onde d'après l'équation : v = ω/k. Une onde qui avance vers −x s'écrit y = A sin(kx + ωt + φ).

Différence de phase entre deux points distants de Δx au même instant : Δφ = (2π/λ) Δx. Chaque particule fait un mouvement harmonique simple ; les points plus loin ont simplement du retard.

À toi : une corde et un slinky

Attache un bout d'une longue corde (ou d'une écharpe) à une poignée de porte. Secoue la main vers le haut une seule fois : une bosse court le long de la corde (onde transversale). Tends la corde davantage et recommence : la bosse va plus vite. Si tu as un slinky, pose-le par terre et pousse un bout : une zone serrée court le long du ressort (onde longitudinale). Dans la 3D, l'étape 5 te permet de faire les deux et de lire v et λ.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Une onde a f = 500 Hz et λ = 0.68 m. Trouve sa vitesse.

v = fλ = 500 × 0.68 = 340 m/s.

2. Une station de radio émet à 100 MHz. Les ondes radio vont à 3 × 10⁸ m/s. Trouve λ.

λ = v/f = 3 × 10⁸ / 10⁸ = 3 m.

3. Une corde de masse 20 g et de longueur 2 m est tendue avec 80 N. Trouve la vitesse de l'onde sur cette corde.

μ = 0.02/2 = 0.01 kg/m. v = √(T/μ) = √(80/0.01) = √8000 ≈ 89.4 m/s.

4. y = 0.02 sin(4πx − 400πt) (SI). Trouve A, λ, f et v.

A = 0.02 m. k = 4π → λ = 2π/k = 0.5 m. ω = 400π → f = 200 Hz. v = ω/k = 400π/4π = 100 m/s (vers +x).

5. Deux points d'une onde de λ = 2 m sont distants de 0.5 m. Trouve la différence de phase entre eux.

Δφ = (2π/λ)Δx = (2π/2) × 0.5 = π/2.

6. La vitesse du son dans l'air à 27 °C est 347 m/s. Trouve-la à 127 °C.

v ∝ √T. T₁ = 300 K, T₂ = 400 K. v₂ = 347 × √(400/300) = 347 × 1.155 ≈ 401 m/s.

7. Utilise les formules de Newton et de Laplace pour l'air (P = 1.01 × 10⁵ Pa, ρ = 1.29 kg/m³, γ = 1.4).

Newton : v = √(P/ρ) = √(78300) ≈ 280 m/s. Laplace : v = √(1.4 × 78300) ≈ 331 m/s, ce qui correspond à l'expérience.

8. Si la tension d'une corde est multipliée par 4, que devient la vitesse de l'onde et, pour la même fréquence, la longueur d'onde ?

v ∝ √T, donc v double. λ = v/f, donc λ double aussi.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. Le son dans l'air est une onde :
2. Si f = 50 Hz et λ = 4 m, v =
3. La vitesse d'une onde sur une corde est :
4. Dans y = A sin(kx − ωt), la vitesse de l'onde est :
5. Laplace a corrigé la formule de Newton en supposant que la transformation est :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'une onde progressive ?

Une onde qui continue d'avancer dans un milieu en transportant de l'énergie, décrite par y = A sin(kx − ωt).

Quelle est la différence entre une onde transversale et une onde longitudinale ?

Dans une onde transversale, les particules bougent perpendiculairement à l'onde ; dans une onde longitudinale, elles bougent dans sa direction.

Pourquoi le son va-t-il plus vite dans les solides que dans l'air ?

Les solides sont beaucoup plus rigides (module d'élasticité plus grand), et cet effet l'emporte sur leur masse volumique plus grande.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 11E. Waves and Sound
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IVWaves and optics
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
Ukraine10 класMechanics
CBSE (India)Class 11Oscillations and Waves
England (GCSE, A level)Year 123.3 Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves and electromagnetic radiation
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Physics
Japan高校2年Waves
South Korea고등학교 2학년Elastic waves and sound
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
Russia11 классWaves
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 1 Ch.3 Mechanical waves

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