| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Savoir que les ondes transmettent de l'énergie sans transférer de matière | |
| 2 Décrire ce que signifie le mouvement ondulatoire tel qu'illustré par les vibrations dans des cordes et des ressorts, ainsi que par des expériences utilisant des ondes à la surface de l'eau | |
| 3 Décrire les caractéristiques d'une onde en termes de front d'onde, longueur d'onde, fréquence, crête (sommet), creux, amplitude et vitesse d'onde | |
| 4 Rappeler et utiliser l'équation de la vitesse d'onde $v = f \lambda$ | |
| 5 Savoir que pour une onde transversale, la direction de vibration est perpendiculaire à la direction de propagation et comprendre que le rayonnement électromagnétique, les ondes à la surface de l'eau et les ondes sismiques S (secondaires) peuvent être modélisées comme transversales | |
| 6 Savoir que pour une onde longitudinale, la direction de vibration est parallèle à la direction de propagation et comprendre que les ondes sonores et les ondes sismiques P (primaires) peuvent être modélisées comme longitudinales | |
| 7 Décrire comment les ondes peuvent subir : (a) la réflexion sur une surface plane (b) la réfraction due à un changement de vitesse (c) la diffraction à travers une fente étroite | 9 Décrire comment la longueur d'onde et la taille de la fente affectent la diffraction à travers une fente |
| 8 Décrire l'utilisation d'un bac à ondes pour montrer : (a) la réflexion sur une surface plane (b) la réfraction due à un changement de vitesse causé par un changement de profondeur (c) la diffraction due à une fente (d) la diffraction due à un bord | 10 Décrire comment la longueur d'onde affecte la diffraction sur un bord |
Ondes
Physique IGCSE · Sujet 3
17:11
Ondes
Lancez une pierre dans un étang, et des anneaux se propagent vers l'extérieur. Mais observez une feuille flottant à la surface — elle ne fait qu'allers et retours ; elle ne se déplace pas avec les ondulations.…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
3.1
Propriétés générales des ondes
Programme
Source : Programme Cambridge International
Une onde 波 transporte de l'énergie 能量 d'un endroit à un autre sans transporter de matière. Par exemple, une vague d'eau fait monter et descendre un bouchon flottant, mais le bouchon ne voyage pas avec la vague. Vous pouvez créer une onde sur une corde en secouant une extrémité vers le haut et le bas, ou sur un long ressort en poussant une extrémité d'avant en arrière. Dans un bain à ondulations 波纹水槽 (un plateau peu profond d'eau avec une lumière au-dessus), vous pouvez observer des vagues d'eau sur un écran en dessous.
Décrire une onde
- front d'onde 波前: une ligne reliant des points sur une onde qui se déplacent ensemble (par exemple, le sommet d'une vaguelette)
- longueur d'onde 波长 ($\lambda$): la distance entre deux fronts d'onde voisins (une onde complète)
- fréquence 频率 ($f$): le nombre d'ondes passant par un point chaque seconde, mesurée en hertz (Hz)
- crête 波峰 (aussi appelée sommet 峰, le haut) et creux 波谷 (le bas)
- amplitude 振幅: la plus grande distance qu'un point parcourt depuis sa position de repos
- vitesse d'onde 波速 ($v$): la rapidité avec laquelle un front d'onde se déplace

Ces grandeurs sont liées par l'équation des ondes :

Exemple résolu. Une onde sonore se déplace à $340\ \text{m/s}$ et a une fréquence de $170\ \text{Hz}$. Trouvez sa longueur d'onde.
Réarranger $v = f\lambda$ donne $\lambda = \dfrac{v}{f}$ :
Deux types d'ondes
- Dans une onde transversale 横波, les particules vibrent perpendiculairement (90°) à la direction de propagation de l'onde (sa propagation 传播). La lumière, les ondes à la surface de l'eau et les ondes sismiques S (les secousses latérales lors d'un séisme) sont transversales.
- Dans une onde longitudinale 纵波, les particules vibrent dans la même direction que celle de propagation de l'onde. Le son et les ondes sismiques P sont longitudinales.

Comportement des ondes
Toutes les ondes peuvent montrer trois comportements, que l'on peut observer dans un bac à ondulations :
- réflexion 反射: l'onde rebondit sur une surface.
- réfraction 折射: l'onde change de vitesse (et généralement de direction) lorsqu'elle pénètre dans un matériau ou une profondeur différente.
- diffraction 衍射: l'onde s'étale après avoir passé par une fente ou autour d'un bord. L'étalement est maximal lorsque la fente a environ la même taille que la longueur d'onde.


Propriétés des ondes
y = a sin(bx + c)
Une onde : a est l'amplitude, b définit la longueur d'onde.
Ondes transversales et longitudinales
Basculez entre une onde transversale (particules qui montent et descendent, comme l'eau et la lumière) et une longitudinale (particules qui glissent d'avant en arrière, formant des compressions, comme le son). L'onde se déplace ; les particules restent sur place.
Deux ondes qui se superposent
Modifiez la deuxième onde. Là où les ondes se rencontrent, elles s'additionnent — parfois en se renforçant, parfois en s'annulant.
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| wave/weɪv/ | 波 | bō |
| energy/ˈenədʒi/ | 能量 | néng liàng |
| ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ | 波纹水槽 | bō wén shuǐ cáo |
| wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ | 波前 | bō qián |
| wavelength/ˈweɪvleŋθ/ | 波长 | bō cháng |
| frequency/ˈfriːkwənsi/ | 频率 | pín lǜ |
| crest/krest/ | 波峰 | bō fēng |
| peak/piːk/ | 峰 | fēng |
| trough/trɒf/ | 波谷 | bō gǔ |
| amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ | 振幅 | zhèn fú |
| wave speed/weɪv spiːd/ | 波速 | bō sù |
| transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ | 横波 | héng bō |
| propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ | 传播 | chuán bō |
| longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ | 纵波 | zòng bō |
| diffraction/dɪˈfrækʃn/ | 衍射 | yǎn shè |
| light/laɪt/ | 光 | guāng |
3.2
Lumière 光
Programme
3.2.1 Réflexion de la lumière
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir et utiliser les termes normale, angle d'incidence et angle de réflexion | |
| 2 Décrire la formation d'une image optique par un miroir plan et donner ses caractéristiques, c.-à-d. même taille, même distance par rapport au miroir, virtuelle | |
| 3 Énoncer que pour la réflexion, l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion ; rappeler et utiliser cette relation | 4 Utiliser des constructions, mesures et calculs simples pour la réflexion par des miroirs plans |
3.2.2 Réfraction de la lumière
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Définir et utiliser les termes normale, angle d'incidence et angle de réfraction | |
| 2 Décrire une expérience montrant la réfraction de la lumière par des blocs transparents de différentes formes | 6 Définir l'indice de réfraction, $n$, comme le rapport des vitesses d'une onde dans deux régions différentes |
| 3 Décrire le passage de la lumière à travers un matériau transparent (limité aux interfaces entre deux milieux uniquement) | 7 Rappeler et utiliser l'équation $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$ |
| 4 Énoncer la signification de l'angle critique | 8 Rappeler et utiliser l'équation $$n = \frac{1}{\sin c}$$ |
| 5 Décrire la réflexion interne et la réflexion totale interne en utilisant des exemples expérimentaux et quotidiens | 9 Décrire l'utilisation des fibres optiques, en particulier dans les télécommunications |
3.2.3 Lentilles minces
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire l'action des lentilles minces convergentes et des lentilles minces divergentes sur un faisceau parallèle de lumière | |
| 2 Définir et utiliser les termes distance focale, axe principal et foyer principal (point focal) | |
| 3 Tracer et utiliser des diagrammes de rayons pour la formation d'une image réelle par une lentille convergente | 6 Tracer et utiliser des diagrammes de rayons pour la formation d'une image virtuelle par une lentille convergente |
| 4 Décrire les caractéristiques d'une image en utilisant les termes agrandi/même taille/réduit, droit/inversé et réel/virtuel | 7 Décrire l'utilisation d'une simple lentille comme loupe |
| 5 Savoir qu'une image virtuelle se forme lorsque des rayons divergents sont prolongés en arrière et ne forme pas de projection visible sur un écran | |
| 8 Décrire l'utilisation de lentilles convergentes et divergentes pour corriger la presbytie et la myopie |
3.2.4 Dispersion de la lumière
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire la dispersion de la lumière illustrée par la réfraction de la lumière blanche par un prisme en verre | |
| 2 Connaître les sept couleurs traditionnelles du spectre visible par ordre de fréquence et par ordre de longueur d'onde | 3 Rappeler que la lumière visible d'une fréquence unique est décrite comme monochromatique |
Source : Programme Cambridge International
Réflexion
Lorsque la lumière frappe un miroir, elle se réfléchit. Nous mesurons les angles par rapport à la normale 法线 (une ligne à 90° par rapport à la surface).
La loi de réflexion : l'angle d'incidence 入射角 est égal à l'angle de réflexion 反射角.
Un miroir plan 平面镜 forme une image de même taille que l'objet, située à la même distance derrière le miroir, et virtuelle (elle ne peut pas être captée sur un écran).

Réfraction
Lorsque la lumière passe d'un matériau à un autre, elle change de vitesse et se courbe. L'angle dans le second matériau est l'angle de réfraction 折射角.

Observer la réfraction. Faites passer un faisceau étroit provenant d'une boîte à rayons 光线盒 vers un bloc de verre rectangulaire posé sur du papier. Marquez le rayon entrant et celui sortant, retirez le bloc, et reliez les marques pour dessiner le rayon à l'intérieur du verre. Tracez la normale là où le rayon entre et mesurez l'angle d'incidence et l'angle de réfraction avec un rapporteur. Répétez avec un bloc semi-circulaire ou un prisme : le rayon se rapproche toujours de la normale en entrant dans le verre et s'en éloigne en sortant.
L'indice de réfraction 折射率 $n$ compare la vitesse de la lumière dans les deux matériaux :
Exemple résolu. Un rayon de lumière passe de l'air vers du verre. L'angle d'incidence est de 60° et l'angle de réfraction est de 35°. Trouvez l'indice de réfraction du verre. (Prenez $\sin i = 0.87$ et $\sin r = 0.57$.)
Lorsque la lumière essaie de sortir du verre ou de l'eau et que l'angle est trop grand, elle ne peut pas s'échapper et se réfléchit entièrement. C'est la réflexion totale interne 全反射. Elle se produit lorsque l'angle intérieur est supérieur à l'angle critique 临界角 $c$ :

Cet effet est utilisé dans les fibres optiques 光纤, de fins fils de verre qui transportent des signaux lumineux pour les téléphones et Internet.

Lentilles
Une lentille convergente 凸透镜 (épaisse au milieu) courbe les rayons parallèles vers un point appelé foyer principal 焦点. L'axe principal 主光轴 est la ligne droite passant par le centre de la lentille perpendiculairement à celle-ci ; le foyer principal se trouve sur cet axe. La distance du centre de la lentille au foyer principal est la distance focale 焦距. Une lentille divergente 凹透镜 (mince au milieu) disperse les rayons parallèles comme s'ils provenaient d'un foyer situé du côté d'entrée.

Une lentille convergente peut former une image réelle 实像 (les rayons se rencontrent réellement ; visible sur un écran) ou, lorsque l'objet est très proche, une image virtuelle 虚像 (les rayons semblent seulement provenir d'elle). Utilisée près de l'œil, une lentille convergente est une loupe 放大镜.
Décrivez une image avec trois paires de mots : agrandie 放大的 ou réduite 缩小的 (ou de même taille), droite 正立 ou inversée 倒立 (tête en bas), et réelle ou virtuelle. Un objet situé loin au-delà du foyer donne une image réduite, inversée et réelle (comme dans un appareil photo). Un objet situé entre le foyer et la lentille donne une image agrandie, droite et virtuelle (une loupe).
Correction de la vue. Une personne myope 近视 voit clairement les objets proches mais floue les objets lointains : l'œil focalise la lumière devant la rétine 视网膜 (l'arrière de l'œil). Une lentille divergente placée devant l'œil disperse d'abord les rayons pour qu'ils se focalisent sur la rétine. Une personne hypermétrope 远视 voit clairement les objets lointains mais floue les objets proches : l'œil focalise la lumière derrière la rétine. Une lentille convergente rassemble les rayons un peu avant qu'ils n'entrent dans l'œil.

Dispersion
Un prisme 棱镜 en verre sépare la lumière blanche en les couleurs du spectre 光谱. Ce fractionnement s'appelle la dispersion 色散.

L'ordre des couleurs est rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. La lumière rouge a la plus longue longueur d'onde et la plus basse fréquence ; le violet est l'inverse. La lumière d'une seule fréquence (une couleur pure) est monochromatique 单色.

Courber un rayon lumineux
Faire entrer la lumière dans l'eau, le verre ou le diamant et changer l'angle. Le rayon ralentit et se courbe vers la normale — plus le matériau est dense (n élevé), plus il se courbe. C'est cette courbure qui rend un pailletoir brisé dans un verre, et pourquoi les diamants étincellent.
Formation d'image par une lentille convergente
Tracez les trois rayons particuliers depuis l'objet — là où ils se rencontrent, c'est l'image. Rapprochez l'objet plus près que le point focal pour le transformer en loupe.
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| reflection/rɪˈflekʃn/ | 反射 | fǎn shè |
| refraction/rɪˈfrækʃn/ | 折射 | zhé shè |
| normal/ˈnɔːml/ | 法线 | fǎ xiàn |
| angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ | 入射角 | rù shè jiǎo |
| angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ | 反射角 | fǎn shè jiǎo |
| plane mirror/pleɪn ˈmɪrə/ | 平面镜 | píng miàn jìng |
| angle of refraction/ˈæŋɡl ɒv rɪˈfrækʃn/ | 折射角 | zhé shè jiǎo |
| ray box/reɪ bɒks/ | 光线盒 | guāng xiàn hé |
| refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ | 折射率 | zhé shè lǜ |
| total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ | 全反射 | quán fǎn shè |
| critical angle/ˈkrɪtɪkl ˈæŋɡl/ | 临界角 | lín jiè jiǎo |
| optical fibre/ˈɒptɪkl ˈfaɪbə/ | 光纤 | guāng xiān |
| converging lens/kənˈvɜːdʒɪŋ lenz/ | 凸透镜 | tū tòu jìng |
| principal focus/ˈprɪnsɪpl ˈfəʊkəs/ | 焦点 | jiāo diǎn |
| principal axis/ˈprɪnsɪpl ˈæksɪs/ | 主光轴 | zhǔ guāng zhóu |
| focal length/ˈfəʊkl leŋθ/ | 焦距 | jiāo jù |
| diverging lens/daɪˈvɜːdʒɪŋ lenz/ | 凹透镜 | āo tòu jìng |
| real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ | 实像 | shí xiàng |
| virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ | 虚像 | xū xiàng |
| magnifying glass/ˈmæɡnɪfaɪɪŋ ɡlæs/ | 放大镜 | fàng dà jìng |
| enlarged/enˈlɑːdʒd/ | 放大的 | fàng dà de |
| diminished/dɪˈmɪnɪʃt/ | 缩小的 | suō xiǎo de |
| upright/ˈʌpraɪt/ | 正立 | zhèng lì |
| inverted/ɪnˈvɜːtɪd/ | 倒立 | dào lì |
| short-sightedness/ʃɔːt ˈsaɪtɪdnəs/ | 近视 | jìn shì |
| retina/ˈretɪnə/ | 视网膜 | shì wǎng mó |
| long-sightedness/lɒŋ ˈsaɪtɪdnəs/ | 远视 | yuǎn shì |
| prism/ˈprɪzəm/ | 棱镜 | léng jìng |
| dispersion/dɪˈspɜːʃn/ | 色散 | sè sàn |
| monochromatic/ˌmɒnəʊkrəʊˈmætɪk/ | 单色 | dān sè |
| electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ | 电磁波谱 | diàn cí bō pǔ |
| vacuum/ˈvækjuːm/ | 真空 | zhēn kōng |
| radio waves/ˈreɪdɪəʊ weɪvz/ | 无线电波 | wú xiàn diàn bō |
| microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ | 微波 | wēi bō |
| infrared/ˌɪnfrəˈred/ | 红外线 | hóng wài xiàn |
3.3
Spectre électromagnétique 电磁波谱
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Connaître les principales régions du spectre électromagnétique par ordre de fréquence et par ordre de longueur d'onde | |
| 2 Savoir que toutes les ondes électromagnétiques voyagent à la même grande vitesse dans le vide | 6 Savoir que la vitesse des ondes électromagnétiques dans le vide est $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ et est approximativement la même dans l'air |
| 3 Décrire les utilisations typiques des différentes régions du spectre électromagnétique y compris : (a) ondes radio ; transmissions radio et télévision, astronomie, identification par radiofréquence (RFID) (b) micro-ondes ; télévision satellite, téléphones portables, fours à micro-ondes (c) infrarouge ; grilles électriques, communications courte portée telles que les télécommandes de télévision, alarmes antivol, imagerie thermique, fibres optiques (d) lumière visible ; vision, photographie, éclairage (e) ultraviolet ; marquage de sécurité, détection de faux billets de banque, stérilisation de l'eau (f) rayons X ; imagerie médicale, scanners de sécurité (g) rayons gamma ; stérilisation des aliments et du matériel médical, détection et traitement du cancer | |
| 4 Décrire les effets nocifs sur les humains d'une exposition excessive au rayonnement électromagnétique, y compris : (a) micro-ondes ; chauffage interne des cellules corporelles (b) infrarouge ; brûlures cutanées (c) ultraviolet ; dommages aux cellules de surface et aux yeux, conduisant au cancer de la peau et aux affections oculaires (d) rayons X et rayons gamma ; mutation ou dommage aux cellules du corps | |
| 5 Savoir que la communication avec les satellites artificiels se fait principalement par micro-ondes : (a) certains téléphones satellitaires utilisent des satellites en orbite basse (b) certains téléphones satellitaires et la télévision directe par satellite utilisent des satellites géostationnaires | 7 Savoir que de nombreux systèmes importants de communication reposent sur le rayonnement électromagnétique y compris : (a) les téléphones portables et Internet sans fil utilisent des micro-ondes car les micro-ondes peuvent pénétrer certains murs et nécessitent seulement une courte antenne pour l'émission et la réception (b) Bluetooth utilise des ondes radio car les ondes radio passent à travers les murs mais le signal est affaibli lors de ce passage (c) les fibres optiques (lumière visible ou infrarouge) sont utilisées pour la télévision câblée et le haut débit car le verre est transparent à la lumière visible et à certains infrarouges ; la lumière visible et l'infrarouge à courte longueur d'onde peuvent transporter de grands débits de données |
| 8 Savoir la différence entre un signal numérique et un signal analogique | |
| 9 Savoir qu'un son peut être transmis sous forme de signal numérique ou analogique | |
| 10 Expliquer les avantages de la signalisation numérique, y compris le taux accru de transmission de données et la portée accrue grâce à une régénération précise du signal |
Source : Programme Cambridge International
Le spectre électromagnétique est une famille d'ondes qui voyagent toutes à la même grande vitesse dans un vide 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Du plus long à la plus courte longueur d'onde (de la plus basse à la plus haute fréquence) :
| Région | Usage typique | Danger dû à un excès |
|---|---|---|
| ondes radio 无线电波 | signaux radio et TV, astronomie, puces RFID | — |
| micro-ondes 微波 | téléphones portables, télévision par satellite, cuisson | chauffage des cellules corporelles |
| infrarouge 红外线 | télécommandes, imagerie thermique, grils, fibres optiques | brûlures cutanées |
| lumière visible | vision, photographie | — |
| ultraviolet 紫外线 | stérilisation de l'eau, contrôle des billets de banque | cancer de la peau, dommages oculaires |
| rayons X X射线 | examens médicaux et sécurité | dommages aux cellules |
| rayons gamma 伽马射线 | stérilisation du matériel, traitement du cancer | mutations cellulaires |
En passant des ondes radio aux rayons gamma, la fréquence augmente, la longueur d'onde diminue, et l'énergie (et le danger) augmentent. La vitesse des ondes électromagnétiques dans l'air est presque la même que dans le vide.
Satellites. La communication avec les satellites artificiels 人造卫星 utilise principalement les micro-ondes, car elles traversent l'atmosphère. Certains téléphones satellites utilisent des satellites en orbite basse 低轨道, proches de la Terre. D'autres téléphones satellites et la télévision par satellite directe utilisent des satellites en orbite géostationnaire 地球静止轨道, qui restent au-dessus du même point sur la Terre.

Signaux numériques et analogiques
Les ondes radio et les micro-ondes transportent des informations sous forme de signaux, et un signal est soit analogique 模拟, soit numérique 数字. Un signal analogique varie continûment et peut prendre n'importe quelle valeur ; un signal numérique est un flux de seulement deux valeurs, marche/arrêt (1 ou 0). Le son peut être envoyé sous l'une ou l'autre forme de signal : un microphone fournit un signal analogique, qui peut être converti en numérique.
Les communications modernes préfèrent le signal numérique pour deux raisons que l'examen demande :
- non taux plus élevé de transmission de données;
- une portée plus grande : un signal numérique faible peut être régénéré en un signal propre
1/0exactement, car il ne faut distinguer que deux niveaux, ce qui élimine le bruit accumulé sur le trajet. Un signal analogique ne peut pas être nettoyé de cette manière, son bruit s'accumule donc.
Faites glisser sur le spectre
Les ondes radio, la lumière visible et les rayons gamma sont tous la même onde — seule la longueur d'onde change, et avec elle la fréquence, l'énergie photonique et l'utilisation quotidienne.
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| spectrum/ˈspektrəm/ | 光谱 | guāng pǔ |
| ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ | 紫外线 | zǐ wài xiàn |
| X-rays/eks reɪz/ | X射线 | X shè xiàn |
| gamma rays/ˈɡæmə reɪz/ | 伽马射线 | gā mǎ shè xiàn |
| artificial satellites/ˌɑːtɪˈfɪʃl ˈsætəlaɪts/ | 人造卫星 | rén zào wèi xīng |
| low orbit/ləʊ ˈɔːbɪt/ | 低轨道 | dī guǐ dào |
| geostationary orbit/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri ˈɔːbɪt/ | 地球静止轨道 | dì qiú jìng zhǐ guǐ dào |
| analogue/ˈænəlɒɡ/ | 模拟 | mó nǐ |
| digital/ˈdɪdʒɪtl/ | 数字 | shù zì |
3.4
Son 声音
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire la production du son par des sources vibrantes | |
| 2 Décrire la nature longitudinale des ondes sonores | 10 Décrire la compression et la raréfaction |
| 3 Indiquez la plage approximative des fréquences audibles par l'humain, de 20 Hz à 20000 Hz | |
| 4 Savoir qu'un milieu est nécessaire pour transmettre les ondes sonores | |
| 5 Savoir que la vitesse du son dans l'air est d'environ 330–350 m/s | 11 Savoir qu'en général, le son voyage plus vite dans les solides que dans les liquides et plus vite dans les liquides que dans les gaz |
| 6 Décrire une méthode impliquant une mesure de distance et de temps pour déterminer la vitesse du son dans l'air | |
| 7 Décrire comment les changements d'amplitude et de fréquence affectent le volume et le ton des ondes sonores | |
| 8 Décrire un écho comme la réflexion des ondes sonores | |
| 9 Définir les ultrasons comme étant le son ayant une fréquence supérieure à 20 kHz | 12 Décrire les utilisations des ultrasons dans le contrôle non destructif des matériaux, l'imagerie médicale des tissus mous et le sonar, y compris le calcul de la profondeur ou de la distance à partir du temps et de la vitesse de l'onde |
Source : Programme Cambridge International
Le son est produit par un objet vibrant. C'est une onde longitudinale : l'air est comprimé dans une compression 压缩 (particules proches) et étiré dans une rarefaction 稀疏 (particules éloignées).
- Le son a besoin d'un milieu 介质 (un matériau) pour se propager, il ne peut donc pas voyager dans le vide.
- Les humains peuvent entendre des fréquences allant d'environ $20\ \text{Hz}$ à $20\,000\ \text{Hz}$.
- Le son voyage beaucoup plus lentement que la lumière (environ $340\ \text{m/s}$ dans l'air), et plus vite dans les liquides et les solides que dans les gaz.
- Une amplitude plus grande produit un son plus fort (plus grande loudness 响度) ; une fréquence plus élevée produit un pitch 音调 plus haut. Ainsi, les clics rapides du dauphin sont aigus, et un coup de tambour fort (grande vibration) est sonore.
Un son réfléchi est un écho 回声.
Mesurer la vitesse du son. Deux élèves se tiennent à une distance connue, par exemple 500 m, mesurée avec un mètre ruban ou un compteur de roulement. L'un tape deux blocs de bois ensemble. L'autre démarre un chronomètre lorsqu'il voit les blocs se toucher et l'arrête lorsqu'il entend le bruit. La lumière arrive presque instantanément, donc le temps mesuré correspond au temps de propagation du son, et vitesse = distance ÷ temps. Répéter et faire une moyenne pour réduire l'erreur de temps de réaction. La méthode de l'écho nécessite une seule personne : applaudir à une distance connue d'un grand mur et chronométrer le son réfléchi, en se rappelant que le son parcourt l'aller et le retour.
Exemple résolu. Un étudiant se tient à 85 m d'un grand mur et applaudit une fois. L'écho revient 0.50 s plus tard. Trouvez la vitesse du son.
Le son parcourt l'aller-retour vers le mur, soit une distance de $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, en $0.50\ \text{s}$ :
Les ultrasons 超声波 sont des sons situés au-dessus de $20\,000\ \text{Hz}$ – trop aigus pour être entendus par les humains. Leurs applications reposent sur la réflexion : le sonar mesure la profondeur de l'eau, l'imagerie médicale visualise un fœtus ou des tissus mous, et le contrôle non destructif détecte des fissures dans le métal sans l'ouvrir. Comme un écho, une impulsion ultrasonore parcourt l'aller et le retour, donc diviser la distance totale par deux pour atteindre l'objet.
Exemple résolu. Une impulsion sonar revient du fond marin $0.10\ \text{s}$ après avoir été envoyée ; le son voyage à $1500\ \text{m/s}$ dans l'eau. L'impulsion parcourt $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ aller-retour, donc la mer a une profondeur de $150/2 = 75\ \text{m}$.

Son
y = a sin(bt + c)
Plus fort = plus grande amplitude ; hauteur plus aiguë = plus haute fréquence.
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| sound/saʊnd/ | 声音 | shēng yīn |
| compression/kəmˈpreʃn/ | 压缩 | yā suō |
| rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ | 稀疏 | xī shū |
| medium/ˈmiːdɪəm/ | 介质 | jiè zhì |
| loudness/ˈlaʊdnəs/ | 响度 | xiǎng dù |
| pitch/pɪtʃ/ | 音调 | yīn diào |
| echo/ˈekəʊ/ | 回声 | huí shēng |
| Ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ | 超声波 | chāo shēng bō |
3.4
Conseils d'examen
- Apprendre $v = f\lambda$ et être prêt à le réarranger. Mesurer tous les angles d'incidence, de réflexion et de réfraction par rapport à la normale (la ligne à 90° par rapport à la surface), jamais par rapport à la surface elle-même.
- Les ondes transversales vibrent perpendiculairement à la direction de propagation (lumière, eau) ; les ondes longitudinales vibrent le long de celle-ci (son). Le son a besoin d'un milieu, il ne peut donc pas traverser le vide ; la lumière peut.
- La réflexion totale interne ne se produit que lorsque la lumière passe d'un milieu dense à un milieu moins dense et que l'angle intérieur est supérieur à l'angle critique.
- Connaître le spectre électromagnétique par ordre : radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X, gamma. Tous voyagent à la même vitesse dans le vide ; la fréquence et l'énergie augmentent du radio au gamma.
- En entrant dans un milieu plus dense (air → verre), la lumière ralentit et se courbe vers la normale ; en sortant (verre → air), la lumière accélère et se courbe loin de la normale.
Leçons interactives sur ce sujet
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