le rayonnement peut être une forme de transfert d’énergie.
Le rayonnement est un phénomène physique qui peut être décrit de deux façons :
de manière particulaire par la propagation de photons
de manière ondulatoire par la propagation d’une onde électromagnétique, au point même qu’on considère souvent rayonnement et onde électromagnétique comme synonymes.
Le spectre des ondes électromagnétiques est composé d’une infinité de radiations.
Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide ou par sa fréquence .
Dans le vide, ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière . Ces grandeurs sont liées par la relation :
avec
la fréquence en Hz,
la célérité de la lumière en m.s,
la longueur d'onde en m.
Le spectre des ondes électromagnétiques est découpé en divers domaines, ce découpage est arbitraire. On trouve les ondes radios, le visible, l’UV, l’infrarouge ou encore les rayons gamma.
Les radiations visibles ont des longueurs d’onde dans le vide entre et nm.
De nombreuses particules (protons et noyaux d’hélium) circulent dans le vide interstellaire : ce sont des astroparticules. On parle de rayonnement cosmique.
Tous les objets célestes émettent des rayonnements dans divers domaines. Certains rayonnements peuvent être associés à certaines sources caractéristiques.
On sait maintenant construire des émetteurs et détecteurs pour chacun des domaines de rayonnement.
Tous les rayonnements se propagent dans le vide et les milieux matériels. Le plupart interagissent avec la matière, dont l’atmosphère terrestre.
L’atmosphère absorbe certaines radiations ce qui peut gêner les observations astronomiques ; on utilise les télescopes spatiaux.
Les constituants de l’atmosphère interagissent avec les astroparticules créant des particules secondaires comme les muons.
Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes mécaniques ne peuvent se propager que dans la matière. Elles transportent de l’énergie et peuvent avoir des effets important lors de leur propagation tels que :
la houle, mouvement ondulatoire à la surface de l’eau qui peut être forte en cas de tempête et provoquer de graves dégâts
les ondes sismiques (étudiées en en SVT) avec des vitesses de propagation différentes selon le type et dont les effets peuvent être plus ou moins importants. La magnitude mesure l’énergie dégagée par un séisme.
les ondes sonores, qui sont des ondes de compression et de dilatation.
Lorsqu’une onde sonore se propage dans un gaz, cela crée des zones de surpression et sous-pression. Lorsque la variation de la pression est très rapide et de très grande amplitude, l’onde sonore devient une onde de choc.
Il existe de nombreux détecteurs d’ondes et de particules. On trouve par exemple :
l’enregistrement des ondes sismiques par des sismographes afin de localiser l’épicentre du séisme
la chambre à brouillard pour détecter les particules chargées
le compteur Geiger pour les particules émises lors de désintégrations radioactives
Une onde progressive désigne le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu.
On distingue deux types d’ondes :
les ondes mécaniques qui ont besoin d’un milieu pour se propager
les ondes électromagnétiques qui peuvent se propager dans le *vide.
Une onde progressive se propageant dans une seule direction est appelée onde progressive à une dimension.
On trouve aussi des ondes à deux dimensions (ondes à la surface de l’eau) et à trois dimensions (le son).
Au cours de sa propagation, une onde transporte de l’énergie (énergie solaire, énergie cinétique, ...).
Les ondes ont des manifestations (houle, rides, son), des conséquences (aucune, dégats,...) et des utilisations très variées (vision, ouïe, téléphonie, échographie, ...).
La valeur de la vitesse de propagation d’une onde , ou célérité, est le rapport de la distance qu’elle parcourt par la durée mise par l’onde pour parcourir cette distance :
avec
en m.s,
en m,
en s.
Lorsqu’on regarde la perturbation à deux instants que celle-ci est la même. Comme elle se propage, elle atteint deux endroits différents à deux instants consécutifs.
Elle atteint le point à la date et le point à la date . La perturbation observée au point arrive au point avec un retard . Le retard est la durée mise par l’onde pour se propager de à :
avec
en s,
en m,
en m.s.
Dans le cas des ondes mécaniques, un point est repéré par son élongation, c’est-à-dire sa position par rapport à sa position de repos.
Une onde progressive est périodique lorsque la perturbation se reproduit identique à elle-même à intervalle de temps égaux, appelés période .
La fréquence de l’onde est le nombre de répétitions de la perturbation par seconde. La fréquence et la période sont liées par la relation :
Les ondes progressives sont sinusoïdales lorsque l’élongation de tout point du milieu de propagation est une fonction sinusoïdale du temps.
Lorsqu’une onde périodique se propage, en certains points les élongations sont en phase, c’est-à-dire possèdent la même élongation. Une onde progressive périodique possède donc deux périodicités :
une périodicité temporelle, appelée période
une périodicité spatiale, appelée longueur d’onde.
La longueur d’onde est la plus petite distance séparant deux positions pour lesquelles les élongations sont en phase, on la note , son unité est le m. C’est aussi la distance parcourue à la vitesse lors d’une période temporelle :
La fréquence d’une onde est sa caractéristique puisqu’elle ne change pas lorsque l’onde change de milieu, ce qui n’est pas le cas de la longueur d’onde qui varie puisque la vitesse varie.
L’oreille humaine perçoit des ondes sonores dont les fréquences sont comprises entre Hz et kHz
Le son produit par un instrument de musique est périodique mais pas sinusoïdal.
En , Joseph Fourier (FR) a montré que tout signal périodique de fréquence peut être décomposé en une somme de signaux périodique de fréquences multiples de , appelés harmoniques. L’analyse spectrale d’un son permet d’en obtenir le spectre en fréquences.
Le spectre en fréquences d’un son est la représentation graphique de l’amplitude de ses composantes sinusoïdales en fonction de la fréquence.
La fréquence la plus faible est celle du fondamental, c’est la fréquence du son. Les autres fréquences sont des multiples entiers du fondamental :
La hauteur et le timbre sont deux autres caractéristiques importantes d’un son musical. Plus la fréquence d’un son est faible, plus le son est grave (ou bas), plus la fréquence est grande, plus le son est aigu (ou haut) : c’est la hauteur du son. Deux sons de même hauteur ne sont pas perçus de la même manière, leur compositions spectrales sont différentes par la présence et les amplitudes relatives d'harmoniques : c’est le timbre du son.
L’analyse spectrale d’un son musical permet de caractériser :
la hauteur du son, liée à la fréquence du fondamental
le timbre du son, lié au nombre et à l’amplitude des harmoniques.
Nous percevons les sons de manière plus ou moins intense. L’intensité sonore caractérise l’intensité du signal reçu par l’oreille, elle s’exprime en W.m.
L’oreille humaine perçoit des signaux sonores dont l’intensité est comprise entre W.m (seuil d’audibilité) et W.m (seuil de douleur).
On a alors créé une autre grandeur : le niveau d’intensité sonore. Il est noté et s’exprime en décibels.
Le niveau d’intensité sonore est défini par :
La notation est le logarithme décimal. est graduée de à dB.
Lorsque plusieurs instruments jouent ensemble, les intensités sonores de chaque instrument s’ajoutent.