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Physique - Ondes

 

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Général

 

 

INDEX

 

Physique

 

 

Ondes

Lumière et couleurs

Cours de première

 

Sommaire de cette page

>>> Oscillation: longueur, vitesse, durée et fréquence

>>> Onde: spectre visible et au-delà

>>> Rayonnement continu ou discret

>>> Rayonnement du corps chaud

>>> Métaphore du plongeur

>>> Niveaux d'énergie – Transition électronique

>>> Photon: énergie et fréquence

>>> Exemple numérique

 

 

 

 

 

Lumière et couleurs

 

 

Dynamique: longueur d'onde, fréquence;

 

Thermique: sources de lumière, loi de Wien;

 

Quantique: niveaux d'énergie, photons.

 

 

 

Une oscillation:

longueur, vitesse, durée et fréquence

Axe du temps

*    Une oscillation sinusoïdale (rouge) formée de deux alternances.

 

 

Axe des longueurs

*    Il s'agit d'une onde qui se propage (vert) à la vitesse de la lumière:

 

c = 300 000 km/s ou

         3 108 m.s-1.

(En fait: 299 792 458 m.s-1)

 

Rappel:

longueur

= vitesse

    x temps

L = V . t

 

 

 

Durée

*    La durée d'une oscillation se nomme période de l'oscillation, symbole T.
Ici T = 1 ns = 1 nanoseconde  = 10-9 seconde.

Fréquence

*    La fréquence donne la quantité d'oscillations pendant une seconde.
Notée  (lettre grecque nu, à ne pas confondre avec un V) et exprimée en hertz (Hz).
Ici: puisqu'une oscillation dure 1 ns, nous aurons 1 milliard d'oscillations pendant une seconde.  = 109 Hz = 1 GHz = 1 gigahertz.

Distance parcourue

*    La distance parcourue pendant une oscillation est la longueur d'onde.
Elle est notée  (lambda, la lettre grecque L, comme Longueur).
L'onde se déplace à la vitesse de la lumière (c).
La distance parcourue est égale à la vitesse multipliée par la durée (L = V.T). 
Dans le monde des ondes cette formule devient:

 

Ici:  = 3 108 x 10-9 = 3 10-1 = 0,3 m = 30 cm

Relation à connaître

 

 

Ondes – Spectre visible et au delà

 

*    Les ondes électromagnétiques sont des oscillations qui se répètent. Il en existe une infinité selon leur fréquence (de quelques hertz à plus de 1020 hertz).

 

*    L'essentiel à retenir autour des ondes lumineuses:

 



 

Voir Spectre complet des ondes électromagnétiques / Lumière visible (détails)

 

 

Spectres

En physique, le spectre est l’ensemble des rayons colorés qui résultent de la décomposition de la lumière par un prisme. Plus généralement, c'est l'ensemble des rayonnements émis par un élément chimique à l'état excité.

Le profil spectral (souvent dit "spectre") est un graphique qui montre l'énergie (densité spectrale d'énergie) en fonction de la longueur d'onde du rayonnement.

 

 

Rayonnement continu ou discret

 

*    Tout corps solide porté à haute température* émet un rayonnement dont le  spectre est continu.

 

 

* et forte pression

 

*    Les éléments chimiques absorbent* la lumière à des fréquences caractéristiques de l'atome: spectre de raies.

 


* ou émettent

 

*    Le laser est une source lumineuse monochrome. Son spectre est formé d'une seule raie.

 

 

 

 

 

Rayonnement du corps chaud

 

*    Corps noir: corps idéal absorbant tous les rayonnements qu'il reçoit.

 

Le soleil est un corps

qui s'en rapproche.

 

*    Le graphique montre le profil spectral d’un corps noir en fonction de la longueur d’onde et selon différente températures (exprimées en kelvins).

 

*    Chaque courbe présente un maximum pour une température T ou  et une longueur d'onde .

 

On préfèrera la lettre grecque thêta, car T est déjà utilisé pour la période.


 

Propriétés

Loi de Wien (1893)

 

 

La longueur d'onde max. diminue lorsque la température croit. On retient que le max. se déplace dans le spectre vers le bleu.

 

Le produit longueur d'onde max. par la température est une constante.

 

Exemple: soleil

*    Longueur d'onde max. observée

= 470 nm

 

*    application de la loi de Wien

 

*    Température du soleil

  6 170 K ou 5 900 °C

 

 

Comprendre ce qui se passe dans l'intimité de la matière

Nous allons essayer de comprendre comment la lumière prend naissance. Pour cela, plongeons nous dans le monde des atomes.

Nous connaissons la structure en couches électroniques des atomes, caractérisées par leur numéro de couche ou nombre quantique principal.

Les électrons qui transitent entre couches brassent de l'énergie. Notamment, si l'énergie doit être évacuée, elle l'est sous forme de lumière.

 

Métaphore: les électrons plongeurs provoquent des gerbes de lumière

 

 

 

 

 

Niveaux d'énergie – Transition électronique

 

*    À chaque couche (chaque orbite) correspond un niveau d'énergie propre:

*      L'énergie du niveau le plus proche du noyau (E0) ou niveau fondamental est spécifique à chaque atome.

*      L'énergie des suivants, niveaux excités, est calculée en divisant E0 par le carré du numéro de la couche. Conséquence: la différence entre deux niveaux successifs diminue très rapidement alors que l’on s’éloigne du noyau.

*      Les niveaux les plus éloignés du noyau sont les plus énergétiques.
 

*    Les électrons qui passent d'un niveau d'énergie à un autre effectuent une transition électronique. Cette transition énergétique ne peut se réaliser que par absorption ou émission d’un photon.

 

Les photons sont des "paquets" ou "grains" d’énergie élémentaires qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. L'énergie nécessaire aux échanges est spécifique du matériau. C'est même une "signature" des atomes qui le composent. Le photon est une particule d'échange. Ne pas confondre avec électrons, protons et neutrons qui sont des particules constituant la matière.

 

 

 

 

PHOTON – Énergie et fréquence

 

*    Pour changer de niveau un électron doit recevoir ou libérer une énergie égale à différence entre l'énergie du niveau d'arrivée et celle de départ. La contrepartie est l'absorption ou la libération d'un grain d'énergie lumineuse, un photon.

*    La "couleur" du photon, sa fréquence, est liée à la quantité d'énergie par la relation:

 

 

 

*    Le coefficient de proportionnalité est la constante de Planck:

 

h = 6,626 069 57 10-34 joule.seconde.

 

*    Plus l'énergie apportée est grande est plus les photons vibrent vite, plus la fréquence est élévée.

*    L'écart d'énergie entre deux niveaux est notée  (delta E, lettre grecque D comme Différence. Ce qui signifie ici: écart d'énergie entre le niveau d'énergie d'arrivée et celui de départ.

 

Dans l'exemple, entre les niveaux EA = -1,51 et EA = -3,40 et  , E = 1,89 eV

 

*    Les niveaux d'énergie sont exprimés en électrons-volts (eV). Une unité d'énergie plus pratique dans le monde des atomes. 1 eV  = 1,6 10-19 J (joule). Cette valeur fait référence à la charge électrique de l'électron.

 

 

 

Exemple numérique

 

*    Exemple avec transition sur deux niveaux de l'atome d'hydrogène.


 

 

*    Pour information: toutes les transitions électronique de l'atome d'hydrogène et les longueurs d'ondes correspondantes. Les raies lumineuses qui en résultent constitue la "signature" spectrale" de l'hydrogène.

 

 

 

 

 

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*    Acoustique, son et sonars

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*    Trigonométrie

*    Unités

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