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 diffraction est le phénomène par lequel une onde change de direction lorsqu'elle rencontre un obstacle ou traverse une ouverture. Au lieu de continuer uniquement dans sa direction initiale, elle s'étale et se propage également dans les régions situées derrière l'obstacle ou l'ouverture.
Son importance dépend principalement de la longueur d'onde et de la taille de l'obstacle ou de l'ouverture rencontrée.
Lorsqu'une onde rencontre un obstacle très grand devant sa longueur d'onde, elle continue presque tout droit. L'obstacle crée alors une zone d'ombre bien délimitée.
En revanche, si l'obstacle ou l'ouverture possède une taille voisine de la longueur d'onde, l'onde se courbe autour des bords et se propage dans plusieurs directions. Elle peut ainsi atteindre des zones qui devraient normalement rester dans l'ombre.
Plus la longueur d'onde est grande devant la taille de l'ouverture ou de l'obstacle, plus la diffraction est importante.
La diffraction par une ouverture
Lorsqu'une onde traverse une ouverture très large, elle continue pratiquement en ligne droite.
Si l'ouverture devient plus étroite, le faisceau commence à s'élargir après son passage.
Lorsque la largeur de l'ouverture est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde, la diffraction devient très importante. L'onde se propage alors dans de nombreuses directions comme si l'ouverture était devenue une nouvelle source d'ondes.
La diffraction par un obstacle
La diffraction apparaît également lorsqu'une onde rencontre un obstacle.
Si l'obstacle est beaucoup plus grand que la longueur d'onde, il crée une zone d'ombre bien marquée derrière lui.
Au contraire, si l'obstacle est petit par rapport à la longueur d'onde, l'onde le contourne facilement. La zone d'ombre devient alors beaucoup moins nette, voire presque inexistante.
La diffraction des ondes mécaniques
Les ondes mécaniques présentent souvent des phénomènes de diffraction faciles à observer.
Les vagues qui traversent l'ouverture d'une digue s'étalent progressivement en formant des fronts d'onde presque circulaires.
Le son contourne facilement les portes, les murs ou les bâtiments. C'est pourquoi une personne peut entendre une conversation même sans voir directement celui qui parle.
Les basses fréquences, dont les longueurs d'onde sont grandes, sont davantage diffractées que les sons aigus. C'est la raison pour laquelle les sons graves restent souvent audibles derrière un obstacle alors que les sons aigus sont plus facilement arrêtés.
Les ondes sismiques sont également diffractées par certaines structures géologiques, ce qui complique parfois leur étude.
La diffraction des ondes électromagnétiques
Les ondes radio, dont la longueur d'onde peut atteindre plusieurs mètres, contournent facilement les collines, les immeubles ou les reliefs. Elles peuvent ainsi être reçues même lorsqu'il n'existe pas de liaison directe entre l'émetteur et le récepteur.
Les micro-ondes possèdent des longueurs d'onde plus courtes. Elles sont moins diffractées et nécessitent souvent une liaison plus directe.
La lumière visible possède une longueur d'onde très faible, comprise entre environ 400 et 700 nm. La diffraction est donc généralement peu visible. Elle devient cependant importante lorsque la lumière traverse des ouvertures très fines ou rencontre de très petits objets.
Les rayons X et les rayons gamma possèdent des longueurs d'onde encore plus petites. Leur diffraction est beaucoup plus difficile à observer et nécessite des dispositifs particuliers.
Les figures de diffraction
Lorsqu'un faisceau lumineux traverse une fente très fine ou contourne un petit obstacle, il ne forme plus une simple tache lumineuse. On observe une succession de bandes claires et sombres appelée figure de diffraction.
Cette figure résulte de la superposition des différentes parties de l'onde après leur déviation. Elle dépend de la longueur d'onde de la lumière ainsi que de la largeur de la fente ou de la taille de l'obstacle.
Les figures de diffraction permettent notamment de mesurer la longueur d'onde d'une lumière avec une très grande précision.
Le principe de Huygens-Fresnel
La diffraction s'explique grâce au principe de Huygens-Fresnel. Chaque point atteint par une onde peut être considéré comme une nouvelle source émettant de petites ondes appelées ondes secondaires.
Après le passage dans une ouverture ou autour d'un obstacle, ces ondes secondaires se propagent dans toutes les directions. Leur superposition reconstitue la nouvelle forme du front d'onde et explique l'étalement observé.
Facteurs influençant la diffraction
L'importance de la diffraction dépend principalement de plusieurs paramètres :
la longueur d'onde ;
la taille de l'ouverture ;
la taille de l'obstacle ;
la forme de l'ouverture ou de l'obstacle ;
la distance d'observation.
La diffraction devient particulièrement visible lorsque la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde.
Applications de la diffraction
Les réseaux de diffraction permettent de décomposer la lumière et d'analyser les spectres lumineux.
Les télescopes et les microscopes sont limités par la diffraction, qui fixe leur pouvoir de résolution.
Les CD, DVD et Blu-ray présentent des reflets colorés dus à la diffraction de la lumière sur leurs fines pistes gravées.
Les hologrammes utilisent des structures microscopiques qui diffractent la lumière.
Les cristaux diffractent les rayons X, ce qui permet de déterminer la structure des molécules et des matériaux.
