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 d'une goutte d'eau tombée forme des cercles concentriques.
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,
ou absorbées par certains matériaux qui récupèrent une partie de leur énergie.
La réfraction est le phénomène qui se produit lorsqu'une onde passe d'un milieu de propagation à un autre. Si les deux milieux ne permettent pas à l'onde de se propager à la même vitesse, sa direction est modifiée : l'onde est alors déviée. Son importance dépend des propriétés des deux milieux traversés.
La direction de l'onde réfractée
Lorsqu'une onde atteint la frontière entre deux milieux, une partie de son front d'onde pénètre dans le second milieu avant le reste de l'onde. Si la vitesse de propagation change, cette partie avance plus vite ou plus lentement que le reste, ce qui provoque une rotation du front d'onde et donc un changement de direction.
Si l'onde arrive perpendiculairement à la surface de séparation, toute l'onde change de vitesse au même instant. Sa direction ne change donc pas, même si sa vitesse est modifiée.
La normale et les angles
On trace une droite imaginaire appelée normale, perpendiculaire à la surface de séparation des deux milieux.
L'angle entre le rayon incident et la normale est l'angle d'incidence. Après la traversée de la surface, l'angle entre le rayon réfracté et la normale est l'angle de réfraction.
La direction de la déviation
Lorsque l'onde pénètre dans un milieu où elle se propage plus lentement, elle est déviée vers la normale.
Au contraire, lorsqu'elle pénètre dans un milieu où elle se propage plus rapidement, elle est déviée en s'éloignant de la normale.
Plus la différence de vitesse entre les deux milieux est importante, plus la déviation est grande.
Les caractéristiques de l'onde
Lorsqu'une onde est réfractée, sa fréquence reste toujours la même, car elle dépend uniquement de la source qui produit l'onde.
En revanche, sa vitesse de propagation change lorsqu'elle passe dans un autre milieu. Sa longueur d'onde est donc également modifiée afin de conserver la relation :
v = λ × f
Une onde qui ralentit possède donc une longueur d'onde plus petite. À l'inverse, lorsqu'elle accélère, sa longueur d'onde augmente.
La réfraction des ondes mécaniques
Les vagues changent de direction lorsqu'elles approchent d'une plage. En eau profonde, elles se déplacent rapidement. En arrivant dans les faibles profondeurs, leur vitesse diminue. La partie de la vague qui atteint les faibles profondeurs en premier ralentit avant le reste, ce qui fait pivoter progressivement le front d'onde. C'est pourquoi les vagues arrivent presque parallèlement au rivage.
Les ondes sonores peuvent également être réfractées dans l'atmosphère lorsque la température ou la densité de l'air varient avec l'altitude. Le son peut alors être dévié vers le sol ou vers le ciel, ce qui explique que certains bruits soient audibles beaucoup plus loin que d'habitude.
Les ondes sismiques sont continuellement réfractées lorsqu'elles traversent les différentes couches de la Terre, dont les propriétés varient avec la profondeur. L'étude de ces déviations permet aux géologues de mieux connaître la structure interne de notre planète.
La réfraction des ondes électromagnétiques
Lorsque la lumière passe de l'air dans l'eau ou dans le verre, sa vitesse diminue et son rayon est dévié vers la normale. En repassant dans l'air, elle accélère et s'éloigne de la normale.
Ce phénomène donne l'impression qu'une paille plongée dans un verre d'eau est cassée, qu'un poisson paraît plus proche de la surface qu'il ne l'est réellement.
La réfraction de la lumière est décrite par la loi de Snell-Descartes :
n1 × sin(i) = n2 × sin(r)
où n1 et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux, i l'angle d'incidence et r l'angle de réfraction.
Les lentilles convergentes et divergentes utilisent précisément la réfraction de la lumière pour faire converger ou diverger les rayons lumineux et former des images.
L'atmosphère terrestre provoque également une légère réfraction de la lumière provenant des étoiles ou du Soleil. C'est pourquoi le Soleil est encore visible quelques instants après être passé sous l'horizon.
Les prismes dévient la lumière par réfraction et permettent de séparer les différentes couleurs.
La lumière est réfractée ou dispersée en traversant un prisme de verre.
Les mirages sont provoqués par la réfraction de la lumière dans des couches d'air de températures différentes.
L'indice de réfraction
Chaque milieu transparent possède un indice de réfraction, noté n, qui caractérise la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu.
Plus l'indice est élevé, plus la lumière se propage lentement. Le vide possède un indice égal à 1, l'air un indice très proche de 1, l'eau environ 1,33 et le verre entre 1,5 et 1,9 selon sa composition.
La réfraction de la lumière est décrite par la loi de Snell-Descartes :
n1 × sin(i) = n2 × sin(r)
où n1 et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux, i l'angle d'incidence et r l'angle de réfraction.
La différence d'indice entre deux milieux détermine l'importance de la réfraction.
