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.
Les ondes électromagnétiques forment une immense famille d'ondes capables de se propager aussi bien dans le vide que dans les milieux matériels transparents. Elles transportent de l'énergie sous la forme de champs électriques et magnétiques qui oscillent perpendiculairement l'un à l'autre et à la direction de propagation.
Toutes les ondes électromagnétiques se déplacent dans le vide à la même vitesse, environ 3 × 108 m/s, soit 300 000 km/s. Elles se distinguent principalement par leur longueur d'onde, leur fréquence et donc leur énergie.
L'ensemble des ondes électromagnétiques est appelé le spectre électromagnétique. Il s'étend des ondes ayant les plus grandes longueurs d'onde jusqu'à celles ayant les plus petites.
Lorsque la longueur d'onde diminue, la fréquence augmente. Comme l'énergie transportée augmente également avec la fréquence, les rayonnements les plus énergétiques sont ceux dont la longueur d'onde est la plus courte.
Le spectre électromagnétique est généralement présenté dans l'ordre suivant :
Les ondes radio possèdent les plus grandes longueurs d'onde, pouvant atteindre plusieurs kilomètres. Elles sont utilisées pour transmettre des informations sur de très longues distances.
La radiodiffusion, la télévision, les communications aériennes et maritimes, les satellites, le GPS, le Wi-Fi ou la téléphonie mobile utilisent différentes bandes d'ondes radio adaptées à leurs besoins.
Les micro-ondes possèdent des longueurs d'onde comprises approximativement entre un mètre et un millimètre.
Elles sont utilisées par les radars, certaines liaisons de télécommunication, les satellites et les fours à micro-ondes. Dans ces derniers, les molécules d'eau présentes dans les aliments absorbent une partie du rayonnement, ce qui provoque leur échauffement.
Les infrarouges sont principalement associés au rayonnement thermique émis par les objets chauds.
Le corps humain, un radiateur ou des braises émettent naturellement des infrarouges. Les caméras thermiques détectent ce rayonnement afin de visualiser les différences de température.
Les télécommandes utilisent également des diodes infrarouges pour transmettre des informations vers les appareils électroniques.
La lumière visible est la seule partie du spectre électromagnétique perceptible par l'œil humain.
Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 380 nm et 780 nm.
La lumière visible est composée d'un ensemble continu de couleurs allant du rouge au violet.
Lorsqu'elle traverse un prisme, chaque couleur est réfractée différemment car son indice de réfraction dépend légèrement de sa longueur d'onde. Ce phénomène, appelé dispersion, sépare les différentes couleurs et forme un spectre.
L'arc-en-ciel est produit par le même phénomène lorsque les gouttes de pluie réfractent, réfléchissent puis dispersent la lumière du Soleil.
Les ultraviolets possèdent une fréquence plus élevée que la lumière visible.
Une partie des ultraviolets solaires est absorbée par la couche d'ozone. Une exposition excessive peut provoquer des coups de soleil et augmenter le risque de cancer de la peau.
Ils sont également utilisés pour la désinfection, la détection de certaines substances fluorescentes et l'analyse de documents.
Les rayons X sont capables de traverser de nombreux matériaux tout en étant davantage absorbés par les substances les plus denses.
Les tissus mous laissent passer une grande partie des rayons X, tandis que les os les absorbent davantage, ce qui permet de réaliser des radiographies.
Les rayons gamma sont les ondes électromagnétiques les plus énergétiques.
Ils sont émis lors de certaines désintégrations radioactives et de phénomènes astrophysiques très énergétiques. Leur grand pouvoir de pénétration nécessite des protections épaisses en plomb ou en béton.
En médecine, ils sont utilisés en radiothérapie pour détruire certaines cellules cancéreuses de manière contrôlée.
Il n'existe pas de frontière parfaitement nette entre ces domaines : les limites retenues sont des conventions pratiques.
Les couleurs du spectre visible
Lorsque la lumière blanche est décomposée par un prisme ou un réseau de diffraction, elle révèle les différentes couleurs qui la composent : rouge, orange, jaune, vert cyan, bleu, violet.
Le rouge possède la plus grande longueur d'onde et la fréquence la plus faible.
Le violet au contraire possède la plus courte longueur d'onde du spectre visible et la fréquence la plus élevée.
La lumière visible possède des longueurs d'onde comprises entre environ 380 nm (violet) et 750 nm (rouge), soit entre 3,8 × 10-7 m et 7,5 × 10-7 m. Plus la longueur d'onde est petite, plus la fréquence est élevée et plus l'énergie transportée par l'onde est importante.
La vitesse c, la longueur d'onde λ et la fréquence f sont liées par la relation :
c = λ × f,
où c est exprimée en m/s, λ en mètres et f en hertz (Hz).
Une lumière verte possède une longueur d'onde d'environ 550 nm (5,5 × 10-7 m). Sa fréquence vaut donc :
f = c / λ = 3 × 108 / (5,5 × 10-7) ≈ 5,5 × 1014 Hz.
La synthèse additive des couleurs
Les écrans, les téléviseurs et les vidéoprojecteurs utilisent la synthèse additive.
Les trois couleurs primaires de la lumière sont le rouge, le vert et le bleu (RVB).
En faisant varier leur intensité, il est possible de produire presque toutes les couleurs visibles.
La synthèse soustractive des couleurs
Les peintures, les encres et les colorants fonctionnent selon la synthèse soustractive.
Chaque pigment absorbe certaines couleurs de la lumière blanche et réfléchit les autres.
Les trois couleurs primaires des pigments sont le cyan, le magenta et le jaune (CMJ).
Les imprimantes ajoutent généralement une cartouche noire (CMJN) afin d'obtenir des noirs plus profonds et de réduire la consommation d'encre colorée.
La couleur des objets
Un objet n'émet généralement pas sa propre lumière. Sa couleur dépend des longueurs d'onde qu'il réfléchit, diffuse ou absorbe.
Une pomme rouge absorbe principalement les composantes bleues et vertes de la lumière blanche, puis réfléchit la lumière rouge vers nos yeux.
Une feuille verte absorbe surtout les composantes rouges et bleues et réfléchit principalement la lumière verte.
Un objet blanc réfléchit presque toutes les couleurs visibles, tandis qu'un objet noir en absorbe une très grande partie.
Sous un éclairage coloré, la couleur apparente d'un objet peut changer. Une pomme rouge éclairée uniquement par une lumière bleue paraît presque noire, car elle ne reçoit plus de lumière rouge à réfléchir.
