Une onde est une perturbation qui se propage d'un endroit à un autre en transportant de l'énergie, sans transporter de matière. Lorsqu'une onde se déplace, les particules du milieu vibrent autour de leur position, mais elles ne voyagent pas avec l'onde.

Il existe deux grandes familles d'ondes.

• Les ondes mécaniques ont besoin d'un milieu matériel pour se propager, comme l'air, l'eau ou un solide. Le son, les vagues et les ondes sismiques en sont des exemples.

  

  L'onde se déplace mais une balle qui flotte restera au même endroit.
• Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de matière et peuvent se propager dans le vide. Elles comprennent notamment la lumière, les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

  Parmi les ondes électromagnétiques, nous trouvons :

  • Les ondes radio permettent la diffusion de la radio, de la télévision, du Wi-Fi, du Bluetooth, du GPS et de la téléphonie mobile.
  • Les micro-ondes servent aux fours à micro-ondes mais aussi aux communications avec les satellites.
  • Les ultrasons sont utilisés pour les échographies médicales, le sonar des bateaux et certains capteurs de distance.
  • Les rayons X permettent d'observer l'intérieur du corps sans intervention chirurgicale.
  • Les fibres optiques transportent des informations grâce à la lumière sur de très longues distances.

Caractéristiques des ondes

Chaque onde est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques.

• L'amplitude mesure l'importance de la perturbation.
• La fréquence indique le nombre de vibrations par seconde et s'exprime en hertz (Hz).
• La longueur d'onde est la distance qui sépare deux points identiques de l'onde.
• La vitesse de propagation dépend de la nature de l'onde et du milieu traversé. Le son se propage dans l'air à environ 340 m/s, alors que la lumière se déplace dans le vide à près de 300 000 km/s.

Au cours de leur propagation, les ondes peuvent être réfléchies, comme un écho sur une montagne, réfractées lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre,

La réflexion est le phénomène qui se produit lorsqu'une onde rencontre un obstacle ou une surface qu'elle ne peut pas traverser entièrement. Au lieu de poursuivre sa propagation dans la même direction, une partie ou la totalité de l'onde est renvoyée dans son milieu d'origine.

La réflexion dépend de la nature de la surface rencontrée et des propriétés des deux milieux en contact.

Le rayon incident et le rayon réfléchi

Pour représenter la réflexion, on utilise un rayon incident, qui indique la direction de propagation de l'onde avant qu'elle n'atteigne la surface, et un rayon réfléchi, qui indique sa direction après la réflexion.

On trace également une droite imaginaire appelée normale, perpendiculaire à la surface au point où l'onde arrive. Les angles sont toujours mesurés par rapport à cette normale.

L'angle formé entre le rayon incident et la normale est appelé angle d'incidence. Celui formé entre le rayon réfléchi et la normale est appelé angle de réflexion.

Le rayon réfléchi repart de l'autre côté de la normale en formant exactement le même angle que le rayon incident :

Angle d'incidence = Angle de réflexion

La réflexion des ondes mécaniques

Les ondes mécaniques se réfléchissent lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou une limite entre deux milieux.

Une vague qui atteint la paroi d'un bassin repart en sens inverse. Une onde se propageant sur une corde revient vers la source lorsqu'elle arrive à son extrémité. Les ondes sismiques se réfléchissent également sur certaines couches du sous-sol, ce qui permet d'étudier la structure interne de la Terre.

Selon les propriétés de l'obstacle, la réflexion peut être presque totale ou seulement partielle. Une partie de l'énergie peut aussi être transmise ou absorbée.

L'écho

L'écho est un exemple de réflexion d'une onde sonore. Lorsqu'un son rencontre une falaise, une montagne ou la façade d'un grand bâtiment, une partie de l'onde sonore est renvoyée vers la source.

Si l'obstacle est suffisamment éloigné, le son réfléchi revient avec un retard perceptible et l'on entend une seconde fois le même son. Si l'obstacle est trop proche, les deux sons se superposent et produisent une réverbération plutôt qu'un véritable écho.

Les chauves-souris, les dauphins et certains cétacés utilisent ce principe pour se déplacer ou localiser leurs proies. Ils émettent des ultrasons puis analysent les ondes réfléchies.

L'homme utilise ce même principe :

• Les sonars utilisent la réflexion des ondes sonores sous l'eau.
• L'échographie médicale forme une image en analysant la réflexion des ultrasons sur les organes.
• La prospection sismique étudie la réflexion des ondes sismiques pour explorer le sous-sol.

La réflexion des ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques peuvent elles aussi être réfléchies lorsqu'elles rencontrent une surface.

La lumière est l'exemple le plus connu. Un miroir renvoie presque toute la lumière incidente, tandis qu'un mur ou une feuille de papier n'en renvoient qu'une partie.

Les ondes radio se réfléchissent sur certains bâtiments, les montagnes ou les grandes structures métalliques. Les radars exploitent également la réflexion des ondes radio pour détecter la présence d'un avion, d'un navire ou d'un véhicule et mesurer leur distance.

Les rayons X et les rayons gamma se réfléchissent beaucoup plus difficilement. Leur réflexion nécessite des dispositifs particuliers et des angles très faibles.

Réflexion régulière et réflexion diffuse

La réflexion dépend fortement de l'état de la surface rencontrée.

Une surface très lisse, comme un miroir ou une eau calme, produit une réflexion régulière. Tous les rayons sont réfléchis dans une direction bien déterminée et une image nette peut être formée.

Une surface rugueuse, comme une feuille de papier, un mur ou une route, produit une réflexion diffuse. La lumière est renvoyée dans de nombreuses directions. Elle ne forme pas d'image nette, mais elle permet de voir l'objet depuis plusieurs positions.

Certains objets utilisent une propriété particulière appelée rétro-réflexion. Leur surface est conçue pour renvoyer la lumière presque dans la direction d'où elle provient. C'est le principe utilisé par les panneaux de signalisation, les bandes réfléchissantes des gilets de sécurité ou les catadioptres des vélos. Ainsi, la lumière des phares d'une voiture est renvoyée vers le conducteur, ce qui rend ces objets très visibles dans l'obscurité.

L'énergie de l'onde réfléchie

Toute l'énergie d'une onde n'est pas forcément réfléchie. Selon la nature des matériaux, une partie peut être renvoyée, une autre transmise dans le second milieu et une troisième absorbée puis transformée, le plus souvent, en chaleur.

La proportion de ces trois phénomènes dépend de la fréquence de l'onde, de la nature des matériaux et de l'angle d'incidence.