Les ondes et leurs applications
Troisième · Physique-Chimie · Des signaux pour observer et communiquer
Des signaux pour observer et communiquer
Deux grandes familles d'ondes
Ton téléphone capte la 4G, ton médecin fait une échographie, un bateau sonde le fond marin, un satellite photographie la Terre : dans les quatre cas, une onde part, voyage, et revient chargée d'informations. Savoir quelle onde choisir pour quelle mission, c'est tout l'enjeu de ce chapitre.
Ondes mécaniques et ondes électromagnétiques
Les ondes se rangent en deux familles, et la question qui les sépare est simple : ont-elles besoin de matière pour voyager ?
Les ondes mécaniques (le son, les ultrasons, les vagues, les ondes sismiques) exigent un milieu matériel : elles font vibrer les molécules de proche en proche. Sans matière, elles n'existent pas.
Les ondes électromagnétiques (ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolets, rayons X) se propagent même dans le vide, toutes à la vitesse de la lumière.
| Ondes mécaniques | Ondes électromagnétiques | |
|---|---|---|
| Exemples | son, ultrasons, vagues, ondes sismiques | ondes radio, Wi-Fi, micro-ondes, lumière, rayons X |
| Propagation dans le vide | impossible | possible |
| Vitesse | dépend du milieu (air 340 m/s, eau 1 500 m/s, acier 5 000 m/s) | 300 000 km/s dans le vide, quelle que soit l'onde |
| Applications typiques | sonar, échographie, écholocation de la chauve-souris | radio, Wi-Fi, GPS, radar, télécommande, radiographie |
Le spectre des ondes électromagnétiques
Toutes les ondes électromagnétiques vont à la même vitesse, mais elles n'ont pas la même fréquence. Rangées par fréquence croissante, on trouve : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolets, rayons X, rayons gamma. La lumière que ton œil perçoit n'occupe qu'une toute petite tranche de cet immense éventail.
Plus la fréquence est grande, plus l'onde transporte d'énergie : les ondes radio sont inoffensives, tandis que les rayons X et gamma sont ionisants et doivent être strictement encadrés.
Des signaux pour observer et communiquer
Mesurer, observer, transmettre
Une onde qui rencontre un obstacle est en partie réfléchie : elle revient vers son point de départ. En chronométrant ce voyage aller-retour, on peut mesurer une distance sans jamais la parcourir. C'est le principe commun du sonar, du radar et de l'échographie.
Quatre applications à connaître
- Le sonar — des ultrasons envoyés dans l'eau mesurent la profondeur, repèrent un banc de poissons ou cartographient un fond marin.
- L'échographie — des ultrasons traversent les tissus du corps et se réfléchissent sur les organes ; l'ordinateur reconstruit une image. Comme les ultrasons ne sont pas ionisants, l'examen est sans danger, y compris pendant une grossesse.
- Le radar — une onde électromagnétique repère un avion, un bateau ou mesure la vitesse d'une voiture sur l'autoroute.
- Le GPS — des satellites émettent des ondes radio ; le récepteur compare les temps d'arrivée de plusieurs signaux pour calculer sa position.
Transmettre l'information : analogique et numérique. Un signal analogique varie de façon continue : c'est la tension délivrée par un microphone, qui suit fidèlement la vibration de l'air. Un signal numérique, lui, ne prend que deux valeurs, notées 0 et 1. Chaque 0 ou 1 s'appelle un bit, et un paquet de 8 bits forme un octet.
Pourquoi tout le numérique aujourd'hui ? Parce qu'un signal affaibli ou bruité reste reconnaissable : un récepteur n'a qu'à trancher entre « plutôt 0 » et « plutôt 1 » pour reconstituer le message d'origine, à l'identique. Un signal analogique, lui, se dégrade un peu plus à chaque copie et à chaque kilomètre. C'est pourquoi une photo numérique peut être copiée mille fois sans perdre un pixel.
Ces signaux numériques circulent ensuite par ondes électromagnétiques (Wi-Fi, 4G, satellite) ou par fibre optique, où l'information voyage sous forme d'impulsions lumineuses guidées dans un fil de verre : rapide, fiable et insensible aux perturbations électriques.
Exercices corrigés
Combien de bits contient 1 octet ?
- A.2 bits
- B.4 bits
- C.8 bitsBonne réponse
- D.16 bits
Réponse : C — 8 bits
Un octet vaut 8 bits — le mot « octet » vient d'ailleurs de la racine latine signifiant huit, comme dans octogone ou octobre. C'est l'unité de base des tailles de fichiers : 1 ko vaut 1 000 octets, soit 8 000 bits. Attention à ne jamais confondre les deux : un fichier de 500 octets contient 4 000 bits.
Un sonar émet un signal et reçoit son écho 0,4 s plus tard. La vitesse du son dans l'eau est de 1 500 m/s. Quelle est la profondeur ?
- A.600 m
- B.300 mBonne réponse
- C.3 750 m
- D.150 m
Réponse : B — 300 m
Distance totale parcourue par l'onde : d(total) = v × t = 1 500 × 0,4 = 600 m. Mais l'onde a fait l'aller ET le retour, donc la profondeur vaut 600 / 2 = 300 m. Répondre 600 m, c'est oublier la division par 2, le piège numéro un de ce type d'exercice. Répondre 3 750 m viendrait de 1 500 / 0,4, une division au lieu d'une multiplication.
Tu émets un son bref face à un mur et l'écho te revient 1,5 s plus tard. À quelle distance est le mur ? (son dans l'air : 340 m/s)
- A.510 m
- B.227 m
- C.255 mBonne réponse
- D.170 m
Réponse : C — 255 m
Distance totale : d(total) = 340 × 1,5 = 510 m. C'est un aller-retour, donc le mur se trouve à 510 / 2 = 255 m. Répondre 510 m, c'est oublier de diviser par 2. Répondre 227 m correspond à 340 / 1,5, une division inversée. Vérification rapide : parcourir 255 m à l'aller puis 255 m au retour, soit 510 m à 340 m/s, prend bien 1,5 s.
Combien de valeurs différentes peut-on coder sur 1 octet ?
- A.256Bonne réponse
- B.64
- C.16
- D.128
Réponse : A — 256
Un octet vaut 8 bits, et chaque bit offre 2 possibilités. Le nombre total de combinaisons est donc 2⁸ = 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 256. C'est pour cette raison qu'une image en niveaux de gris codée sur 1 octet par pixel propose exactement 256 nuances, du noir (0) au blanc (255). Répondre 128, c'est calculer 2⁷, donc oublier un bit ; 16 correspondrait à 4 bits seulement.
Dans la relation d = (v × t) / 2 utilisée par un sonar, pourquoi divise-t-on par 2 ?
- A.Parce que l'onde perd la moitié de sa vitesse en se réfléchissant
- B.Parce que le signal fait un aller-retour : il parcourt deux fois la distance cherchéeBonne réponse
- C.Parce que l'eau ralentit le son de moitié par rapport à l'air
- D.Parce que la moitié du signal est absorbée par l'obstacle
Réponse : B — Parce que le signal fait un aller-retour : il parcourt deux fois la distance cherchée
Le produit v × t donne la distance TOTALE parcourue par l'onde pendant la durée mesurée. Or, entre l'émission et la réception de l'écho, l'onde est descendue jusqu'à l'obstacle puis remontée : elle a couvert deux fois la distance recherchée. On divise donc par 2. Une onde ne change pas de vitesse en se réfléchissant, et même si une partie de l'énergie est bien absorbée, cela n'a aucune incidence sur le calcul de la distance.
Une chauve-souris émet un ultrason et perçoit l'écho d'un insecte 0,02 s plus tard. À quelle distance est l'insecte ? (son dans l'air : 340 m/s)
- A.6,8 m
- B.3,4 mBonne réponse
- C.1,7 m
- D.0,34 m
Réponse : B — 3,4 m
Distance totale : d(total) = 340 × 0,02 = 6,8 m. C'est un aller-retour, donc l'insecte se trouve à 6,8 / 2 = 3,4 m. Répondre 6,8 m, c'est oublier de diviser par 2. Attention aussi au piège du milieu : l'ultrason voyage ici dans l'AIR, à 340 m/s, et non dans l'eau. C'est cette écholocation, précise et très rapide, qui permet à la chauve-souris de chasser dans le noir complet.
Classe ces trois ondes électromagnétiques par fréquence CROISSANTE.
- A.Rayons X, lumière visible, ondes radio
- B.Lumière visible, ondes radio, rayons X
- C.Ondes radio, rayons X, lumière visible
- D.Ondes radio, lumière visible, rayons XBonne réponse
Réponse : D — Ondes radio, lumière visible, rayons X
Le spectre électromagnétique se parcourt, par fréquence croissante, dans cet ordre : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolets, rayons X, rayons gamma. Les ondes radio sont donc les moins énergétiques et les rayons X parmi les plus énergétiques. C'est exactement ce qui explique leur dangerosité : au-delà des ultraviolets, les ondes deviennent ionisantes et peuvent endommager les cellules, d'où le tablier de plomb chez le radiologue.
On envoie une onde radio vers la Lune, située à 384 000 km, et l'on capte son écho. Quelle durée sépare l'émission de la réception ? (v = 300 000 km/s)
- A.1,28 s
- B.2,56 sBonne réponse
- C.0,78 s
- D.256 s
Réponse : B — 2,56 s
L'onde effectue un aller-retour, donc elle parcourt 2 × 384 000 = 768 000 km. La durée vaut t = d / v = 768 000 / 300 000 = 2,56 s. Répondre 1,28 s, c'est calculer seulement l'aller (384 000 / 300 000) : ici, contrairement aux exercices de sonar, il faut MULTIPLIER la distance par 2 et non diviser le résultat, car on cherche la durée et non la distance. Un bon réflexe : demande-toi toujours quelle grandeur est l'inconnue avant d'appliquer une formule toute faite.
Quelle différence essentielle sépare une onde sonore d'une onde électromagnétique ?
- A.L'onde sonore se propage beaucoup plus vite
- B.L'onde électromagnétique a besoin d'air pour avancer
- C.L'onde électromagnétique se propage dans le vide, contrairement à l'onde sonoreBonne réponse
- D.Aucune : ce sont deux façons de nommer la même chose
Réponse : C — L'onde électromagnétique se propage dans le vide, contrairement à l'onde sonore
Une onde sonore est une onde MÉCANIQUE : elle fait vibrer les molécules du milieu de proche en proche, donc elle a besoin de matière et ne traverse pas le vide. Une onde électromagnétique n'a besoin de rien : c'est pour cela que la lumière du Soleil et les signaux des sondes spatiales nous parviennent à travers le vide. Au passage, l'onde sonore est aussi bien plus LENTE (340 m/s dans l'air contre 300 000 km/s).
Le sonar d'un bateau repère le fond marin grâce à quel type d'onde ?
- A.Des ultrasonsBonne réponse
- B.Des rayons X
- C.De la lumière visible
- D.Des ondes radio
Réponse : A — Des ultrasons
Le sonar émet des ultrasons, des ondes mécaniques de fréquence supérieure à 20 000 Hz, qui se propagent très bien dans l'eau (environ 1 500 m/s) et s'y réfléchissent sur le fond ou sur les bancs de poissons. La lumière, elle, est absorbée en quelques dizaines de mètres d'eau, et les ondes radio pénètrent très mal la mer : c'est justement pourquoi les sous-marins utilisent l'acoustique.
Dans une fibre optique, l'information est transportée par...
- A.un courant électrique
- B.des ultrasons guidés
- C.de l'air comprimé
- D.de la lumièreBonne réponse
Réponse : D — de la lumière
Une fibre optique est un fil de verre très fin dans lequel voyagent des impulsions lumineuses : allumé/éteint code les 1 et les 0 du signal numérique. Ce choix est excellent car la lumière est très rapide, transporte énormément de données et reste insensible aux perturbations électriques, contrairement au courant dans un câble de cuivre.
Un signal numérique est codé à l'aide...
- A.d'une infinité de valeurs qui varient de façon continue
- B.de deux valeurs seulement, notées 0 et 1Bonne réponse
- C.des lettres de l'alphabet
- D.de vibrations mécaniques de l'air
Réponse : B — de deux valeurs seulement, notées 0 et 1
Le propre du numérique est de ne retenir que deux états, notés 0 et 1 : chacun s'appelle un bit. C'est justement cette pauvreté apparente qui fait sa force, car un récepteur n'a qu'à décider « plutôt 0 » ou « plutôt 1 », même si le signal a été affaibli en route. La première option décrit au contraire un signal ANALOGIQUE, qui varie continûment, comme la tension issue d'un microphone.
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