UE10 - Biophysique des radiations - Documents du 15/01 et 16/01/2024 PDF

UE10 Biophysique des radiations LIVRET CAD1/CM1 Rappels sur les ondes/Propagation des ondes CAD du 15/01 et CM du 16/01/2024 Livrets, Annales, E-learning, Capsul’exam, Fiches… Année 2023-2024 Rappel sur les onde...

UE10 Biophysique des radiations LIVRET CAD1/CM1 Rappels sur les ondes/Propagation des ondes CAD du 15/01 et CM du 16/01/2024 Livrets, Annales, E-learning, Capsul’exam, Fiches… Année 2023-2024 Rappel sur les ondes Objectif du cours A connaitre : -La définition d’une onde et les formulations mathématiques. -Les types d’onde : électromagnétique et mécanique -Le principe de la propagation et les milieux de propagation du son et de la lumière. -Les phénomènes d’interactions des ondes entre elles et avec les milieux dans lesquels, elles se propagent (influence des milieux). Connaitre et savoir distinguer : -les paramètres caractérisant les ondes, les milieux ou dépendants des 2 ! -les principes de réfraction, réflexion, transmission et diffraction. Bien connaitre les formules impliquant les calculs simples (périodes, fréquences, vecteurs d’ondes…) Savoir déduire les informations concernant la nature des ondes et leurs fréquences en fonction de l’application médicale ! 1.Les ondes et les milieux de propagation On appelle perturbation, la modification locale et temporaire de certaines grandeurs physiques : de déplacement, de masse volumique, pression… (ex : 1 goutte qui tombe dans l’eau crée une perturbation qui se propage dans toutes les directions.) Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu. Lorsqu’une Ondes et milieux onde se propage, il y a TOUJOURS modification des propriétés du milieu ! Qu’est-ce qu’une onde ? Il y a propagation d’énergie, sans transport de matière (ou plutôt pas de transport net de matière à l’échelle macroscopique). On distingue 2 types d’ondes : a/ Ondes Mécaniques ou ondes élastiques (OM) b/ Ondes Electromagnétiques (OEM) - Sons et ultrasons, vagues, ondes sismiques… - Rayons gamma, rayons X, ultraviolets, lumière visible, infrarouge, ondes radio et TV. - Milieu de propagation : nécessité d’un milieu matériel (liquide, gaz, air et solide) mais pas dans le - Milieu de propagation : milieu transparent (l’air, le vide. verre d’une vitre…), contrairement à un parasol, qui arrête la lumière. Ainsi, les OEM peuvent se propager - La perturbation se déplace de proche en proche dans tous les types de milieux (liquide, gaz, air, grâce à l’élasticité ou compressibilité du milieu solide ET vide), à condition que ces milieux soient matériel qui reprend sa forme initiale après le « transparents » pour le type d’onde considéré. passage de l’onde (suite de contractions/ dilatations du milieu matériel). -Les OEM correspondent à des vibrations d’un champ électrique, ainsi que d’un champ magnétique, Un son ne se propage pas dans le vide perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde. Vitesse de l’onde Quelques centaines à Vitesse de l’onde Environ 300 000 m.s-1 mécanique quelques milliers de m.s-1 ! électromagnétique 3 NB : La source de l’onde doit être dans un état vibratoire quel que soit le type d’onde mécanique ou électromagnétique. En fonction de la direction de propagation de l'onde (et donc du vecteur d'onde) et de la direction de propagation de la perturbation du milieu (ou déformation du milieu), on oppose classiquement deux types d'ondes : Onde longitudinale© Onde transversale© Il s’agit d’une onde dont la déformation du Il s’agit d’une onde dont la déformation du milieu se fait milieu se fait suivant la direction de suivant une direction perpendiculaire à la direction de propagation. L’énergie « se déplace » dans le propagation. sens de propagation de l’onde. Exemples : les ondes électromagnétiques, une corde, les C’est la cas des ondes mécaniques ! vagues,… Exemples : les variations de pression qui permettent la propagation des sons, compression/décompression d’un ressort,… QCM 1 A) Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu. B) Tous les types d’ondes correspondent à une propagation d’énergie C) Tous les types d’ondes correspondent à une propagation de matière D) Une onde qui se propage dans un milieu matériel modifie une ou plusieurs propriétés physiques de ce milieu. E) Une onde apporte toujours de l’énergie au milieu matériel qu’elle traverse REPONSES : ABDE La C est fausse car une onde ne transporte pas de matière QCM 2 A) Les ondes électromagnétiques sont des ondes élastiques B) Les ondes sonores sont des ondes mécaniques C) Tous les types d’ondes correspondent à une variation de pression du milieu matériel qu’elles traversent D) Quelque soit le milieu de propagation, il y a toujours vibration du milieu traversé par une onde. E) Une onde sismique est une propagation d’énergie sans support matériel REPONSES : B Une onde électromagnétique se propage dans le vide sans qu’il y ait vibration du milieu ! A faux ce sont les ondes mécaniques C faux pas les électromagnétiques 4  E faux car une onde sismique est une onde mécanique qui se propage dans un milieu matériel (le sol) 1.1. Propagation d’une onde dans un milieu On représente souvent un rayon lumineux par une flèche droite, orientée dans le sens de la propagation de ce rayon. En effet la propagation d'une onde se fera en ligne droite si elle se propage dans un milieu qui est à la fois :  Homogène (structurellement identique en toute part)  Isotrope (mêmes propriétés dans toutes les directions) -> si PAS D’OBSTACLE : propagation en ligne droite (rayons lumineux) (mais l’onde reste de nature ondulatoire) -> onde progressive -> Pas de propagation des ondes élastiques dans le vide. -> Pas de propagation des ondes lumineuses dans les milieux non transparents. -> Les ondes électromagnétiques se propagent aussi dans le vide (milieu non matériel) -> La vitesse de propagation est déterminée : pour un type donné d’onde, elle dépend du milieu. Cependant, même si une onde se propage en ligne droite, elle reste de nature ondulatoire sinusoïdale ou non, et de géométrie variée (elle peut être plane, sphérique...) QCM 3 A) Un milieu de propagation peut être homogène et non isotrope B) Un milieu de propagation transparent est toujours homogène et isotrope C) Une différence de température peut rendre un milieu de propagation hétérogène et non isotrope. D) Les REM du spectre du visuel ne peuvent pas se propager profondément dans les tissus biologiques. E) Une onde de pression peut se propager dans le vide Isotrope = milieu identique dans toutes les directions Homogène : les propriétés du milieu sont identiques en tout point de l’espace Réponses : ACD La D est vrai car au fur et à mesure les ondes perdent de l’énergie et le milieu n’est pas homogène ni transparent QCM 4 A) Dans une direction donnée, la propagation d’une onde se fait toujours en ligne droite B) Un milieu de propagation homogène possède toujours les mêmes propriétés physiques en tout point (structurellement identique) C) Un milieu de propagation isotrope possède les mêmes propriétés physiques dans toutes les directions D) Dans une direction donnée, une onde sinusoïdale se déplace toujours selon une trajectoire sinusoïdale E) Dans une direction donnée, une onde cosinusoïdale sphérique ne se propage jamais en ligne droite. Réponses : ABC B. Un milieu de propagation homogène possède toujours les mêmes propriétés physiques en tout point. C’est la définition D. Faux en ligne droite ou rectiligne (Fonction de la forme sinusoidale) 5 Propagation dans un milieu FINI : une partie des ondes est réfléchie (par les limites du milieu) -> Le milieu se remplit d’ondes dans un sens et dans l’autre. -> qui interférent les unes avec les autres pour ne former qu’une seule onde ………………. Une onde émise par une source ponctuelle qui émet dans toutes les directions de l'espace, aura une géométrie sphérique. Cependant, le front d'onde dans une direction donnée apparaîtra plan pour un observateur situé à une très longue distance de la source (une onde plane est une onde dont les fronts d'onde sont parallèles entre eux mais perpendiculaires à la direction de propagation). Ex: Les ondes émises par une étoile sont sphériques lors de l'émission, mais sont perçues comme planes quand elles arrivent au voisinage de la terre, vu la distance séparant la terre des étoiles. Ex: les ondes émises par une étoile sont sphériques lors de l'émission, mais sont perçues comme planes quand elles arrivent au voisinage de la terre, vu la distance séparant la terre des étoiles. Une onde est  Si elle se propage dans un milieu infini. dite progressive En revanche, dans un milieu fini, l'onde va se réfléchir sur les « bords » du milieu, qui va se remplir d'ondes incidentes et réfléchies de même fréquence se propageant dans un sens et dans l'autre. Ces ondes incidentes et réfléchies peuvent ainsi former une seule onde dite stationnaire. Onde qui ne se propage pas (elle peut être plane ou sphérique). Une onde stationnaire est constituée d’ondes pures (ou monochromatiques, ou encore sinusoïdales = une seule fréquence) et cohérentes (ondes de même fréquence, même longueur d’onde, ayant un déphasage constant les unes par rapport aux autres. Onde Les ondes qui interfèrent pour former une onde stationnaire doivent également être stationnaire planes et se propager dans deux directions opposées à 180°. L’onde stationnaire formée par ces interférences est formée de nœuds (amplitude nulle) et de ventres (amplitude maximale). Les points entre 2 nœuds ou 2 ventres seront en phase. 6  Ce phénomène d’ondes stationnaires est fréquent dans les instruments de musique, dans les cavités buccales quand nous parlons, voire dans les cavités auditives quand nous écoutons. /!\ Il n’y a aucun transfert d’énergie entre 2 ondes qui forment une onde stationnaire. Onde stationnaire Les deux ondes, incidente (qui va de gauche à droite (bleu) et réfléchie sur un obstacle (qui va de droite à gauche(rouge), forment une onde stationnaire (noire), appelée ainsi car elle possède des points fixes (les nœuds = points rouges de l'animation). NB : une onde STATIONNAIRE est la conséquence de l’interférences d’ondes : > Planes, > Monochromatiques (sinusoïdales), > De même intensité, > De même longueur d’onde, > Se propageant dans deux directions opposées à 180°. Distribution de l’onde STATIONNAIRE : -> en NOEUDS : résultante nulle et en VENTRES : résultante maximale, -> avec la même longueur d’onde que les ondes qui l’ont fait naître. L'ensemble des points situés entre deux nœuds oscillent en phase, chacun avec sa propre amplitude. Pas de transfert d'énergie d'un fuseau à un autre. QCM 5 : ondes stationnaires A) Elles peuvent être la résultante de l’interférence d’ondes ayant la même direction de propagation. B) Elles peuvent être la résultante de l’interférence d’ondes monochromatiques. C) Elles peuvent être la résultante de l’interférence d’ondes de longueur d’ondes différentes. D) Les noeuds correspondent à des zones de résultante nulle entre les ondes qui interfèrent. E) L'ensemble des points situés entre deux nœuds oscille en phase. Réponse BDE A faux puisqu’elles doivent être opposés pour que l’onde soit stationnaire E voir le schéma les 2 ondes suivent la même courbe = en phase* La source ponctuelle d’une onde qui est sphérique va donner à distance au front d’onde une onde QCM 6 : Onde sphérique A) Elle peut-être assimilée à une onde plane si l’on s’intéresse à ses effets à très grande distance. 7 B) Elle est toujours une onde sinusoïdale. C) Elle est toujours une progressive. D) Elle produit une puissance surfacique qui augmente quand la distance onde-source augmente. E) Elle peut être émise par une source ponctuelle Réponse AE QCM 7 : géométrie des ondes A) Les fronts d'onde d’une onde plane sont des plans parallèles. B) Les fronts d'onde d’une onde plane sont perpendiculaires au vecteur d’onde. C) Les ondes émises par une étoile sont planes quand elles arrivent au voisinage de la Terre. D) Une onde plane peut être émise par une source ponctuelle E) Une onde sphérique peut être émise par une source ponctuelle Réponse ABCDE 1.2. Sens de propagation et vecteur d’onde©  C'est le vecteur qui représente la direction de propagation de l'onde.  Il est de norme 𝑘 = où ω est la pulsation de l'onde (nombre de cycles par secondes--> en rad/s) et c la célérité (m/s) de l'onde dans le milieu considéré. Vecteur d'onde k (ou vecteur de  Il caractérise la direction et le sens des rayons que l'on pourra associer à une phase) onde 𝑘= et 𝜔 = 2𝜋𝜈, 𝑘 = et 𝜈 = d’où 𝑘 = avec 𝝂 : fréquence de l’onde, 𝝀 : longueur d’onde Ces formules sont à connaître ! 8  Si on considère qu’un cycle est égale à 2𝜋, alors on peut écrire plus simplement que 𝑘 = , soit le nombre de cycles par mètre parcouru par l’onde ! Ainsi, le scalaire du vecteur d'onde donnera directement le nombre d'oscillations (ou nombre de cycles) par mètre parcouru par l'onde dans un milieu donné, mais permettra aussi de connaître la vitesse en fonction de la fréquence. Rappel: un vecteur peut être décrit soit dans un plan vectoriel (purement algébrique ; on associe alors un SCALAIRE (=nombre) au vecteur), soit dans un plan géométrique (par une droite ou deux points de l'espace). Dans le plan géométrique, un vecteur est caractérisé par un sens, une direction, un point de départ et d'arrivée et une longueur (=NORME). 1.3. Périodicité spatio-temporelle des ondes C’est un point du cours assez flou où le prof ne rentre pas trop dans les détails. Afin que vous puissiez mieux comprendre, je vous ai donc rajouté des explications plus précises !  Une onde est périodique sinusoïdale (ou cosinusoïdale, idem à sinusoïdal avec un déphasage de 90° ou π/2) si elle est engendrée par une source induisant une perturbation d'une grandeur physique du milieu qui varie avec le temps suivant une fonction sinus (ou cosinus). Ondes sinusoïdales  Soit 𝜓(𝑥, 𝑡), la grandeur physique perturbée au passage de l'onde en tout point x du milieu et à tout instant t. Equation n°1 : Si la source de l’onde nait à l’instant t = 0, au point x0 on pourra écrire l’équation n°1, dans laquelle le premier membre est la partie constante correspondant à l’origine de l’onde et le deuxième membre, la partie variable avec le temps. A est l'amplitude de l'onde (plus un son est perçu fort par notre oreille, plus son amplitude est importante). ω est la pulsation (en rad.s-1; liée à la fréquence f en Hertz par la relation ω = 2πf) (plus un son est perçu comme aigu par notre oreille, plus sa fréquence est élevée dans les limites de la perception humaine).  L'onde se déplaçant avec une célérité c, la perturbation atteindra la position x à l'instant x/c, d'où : Equation n°2 : 9  Formule compliquée à comprendre mais ne vous inquiétez pas il faut juste apprendre les formules Pulsation ω (en rad/s) =2πf Et savoir quels termes sont proportionnels et les unités. Représentation graphique de l’équation n°1 Représentation graphique de l’équation n°2 EXEMPLES______________________________________________________________________________ Si 2 points de l’espace subissent des perturbations qui ont même valeur et varient dans le même sens alors ils sont en phase ! Dans le cas d’une onde périodique à une dimension qui se propage le long d’une corde, 2 points sont en phase si l’élongation de la corde est la même avec une variation dans le même sens !  Les points A et D puis B et E sont en phase  Les points C et F ne sont pas en phase 10  a. Périodicité temporelle© Un point atteint par l'onde vibrera avec la même fréquence (donc même période) que la source.  La fréquence et la période de l'onde ne dépendent que de la source et non du milieu.  La fréquence et la période ne varient pas en fonction des milieux traversés. o Mesure le nombre de vibrations par seconde de la source : elle se mesure en Fréquence Hertz (1Hz = 1 vibration/seconde). (noté 𝑓 ou 𝜈) o C’est la durée (en seconde) d'une vibration entière. C'est aussi l'inverse de la La période fréquence, et comme elle, elle ne dépend que de la source et ne varie pas selon (notée T) les milieux traversés. 𝟏 o 𝐓= 𝛎 b. Périodicité spatiale© La célérité d'une onde dépend :  du milieu de propagation  de la nature physique de la perturbation qui se propage dans le milieu. Pour une onde de fréquence donnée, la longueur d'onde :  peut ainsi varier quand l'onde passe d'un milieu à un autre.  cette variation est due au fait que la célérité est une caractéristique de chaque milieu, alors que la fréquence ne dépend que de la source. La célérité de o C’est la vitesse avec laquelle l'onde se propage dans le milieu. Elle s'exprime l’onde en m.s-1 (notée c) o La longueur d'onde λ est la distance parcourue par l'onde pendant un temps La longueur égal à une période. C'est une distance qui s'exprime en m. d'onde 𝐜 (notée λ) 𝛌 = 𝐜×𝐓 = 𝛎 La périodicité temporelle (à gauche) permet d'expliquer la relation entre la période d'une onde et sa fréquence La périodicité spatiale (à droite) la relation entre la longueur d'onde et la fréquence de l'onde (qui est une caractéristique de la source). 11  c.Phase  La phase φ est une grandeur angulaire, sans unité qui indique la valeur instantanée (notée de 0 à 2π ou de 0 à 360°) d'un phénomène physique qui varie cycliquement.  Elle dépend donc de la position x de la perturbation dans le milieu qui se propage avec une célérité c: φ(x) = kx Le déphasage entre deux points du milieu x1 et x2 varie entre - π et + π, avec deux cas extrêmes :  x1 et x2 sont en phase si kx est égal à zéro (ou multiple entier de 2π).  x1 et x2 sont en opposition de phase si kx = π (ou -π). Vidéo moodle : La phase est une grandeur sans unité, peu commode à utiliser en pratique. Ainsi, on lui préférera l’usage du déphasage entre 2 points, déphasage qui peut se mesurer comme un angle (en radian ou degré), un temps (en secondes ou multiple de la période t), ou une distance (en mètre ou en multiple de la longueur d’onde). d. Cohérence spatio-temporelle Pour que deux ondes sinusoïdales progressives soient cohérentes, il faut qu’elles soient de même fréquence, de même longueur d’onde, qu’elles se déplacent dans un même milieu homogène et isotrope et qu’elles aient un déphasage constant. Il existe 3 façons de produire des ondes cohérentes : - Par diffraction (fentes de Young) - Avec un dispositif optique (miroir de Fresnel) : une source lumineuse ponctuelle, qui se réfléchit sur les deux miroirs, donne une paire de sources lumineuses virtuelles (S1 et S2), étroitement voisines et cohérentes. - Par émission simultanée d’ondes (avec un LASER). Sur ce schéma, les ondes sont en phase mais elles peuvent aussi être déphasées (mais déphasage constant). Une interférence, c’est une superposition de 2 ondes qui sont cohérentes Ondes cohérentes …et cohérentes 12 Applications 2.Ondes non sinusoïdales  À chaque instant t, cette onde périodique est la somme (en amplitude) d'ondes sinusoïdales (ou cosinusoïdales), et est ainsi constituée d'un nombre fini de fréquences (cette analyse de la composition en fréquences d'un signal périodique s'appelle la transformée de Fourier). Une onde peut être périodique La fréquence « d'ordre un » de cette décomposition fréquentielle de Fourier est en non sinusoïdale général (pas toujours) la fréquence la plus basse. (exemple : sons complexes  Cette fréquence « d'ordre un » est appelée la fréquence fondamentale f (ou le musicaux) fondamental).  Cette fréquence (ou la période correspondante) est la fréquence (ou la période correspondante) de l'onde périodique. Les autres fréquences, multiples entiers de cette fondamentale, sont appelées les fréquences harmoniques (H1 = 2xF ; H2 = 3xF ; H3 = 4xF ; H4 = 5xF). Les harmoniques H sont des multiples entiers de la fréquence F de l'onde 13  L'onde périodique non sinusoïdale est la somme de l'amplitude de plusieurs fréquences mais ne possède qu'une seule période vibratoire, qui est celle de la fondamentale  Dans le cas d'une onde périodique sinusoïdale, il n'y a pas d'harmoniques. Deux cas opposés  Dans le cas d'une onde non périodique qu'on appelle un bruit, la décomposition de Fourier donne un nombre infini de fréquences constituant l'onde. QCM 8 : Périodicité temporelle A) La fréquence d'une onde mesure le nombre de vibrations par seconde de la source. B) La fréquence d'une onde mesure le nombre de vibrations par seconde de l'onde. C) Un point d'un milieu de propagation atteint par l'onde vibrera avec la même fréquence que la source. D) La période d'une onde est la durée d'une vibration entière. E) La période est la durée totale de propagation d’une onde progressive Réponses ABCD B vrai car la source et l’onde vibrent à la même fréquence car c’est la source qui crée l’onde E faux rien à voir avec progressive ou pas QCM 9 : Périodicité Temporelle et Spatiale A) Une onde sinusoïdale ne possède toujours qu’une seule période. B) Une onde progressive est toujours sinusoïdale. C) Une onde cosinusoïdale est toujours périodique. D) Une onde sinusoïdale est toujours progressive. E) Deux points d’une onde sinusoïdale se déplaçant en phase sont toujours séparés par une période. 14  Réponse AC B faux Une onde plane peut-être progressive C vrai une fonction sinus aura toujours une période D faux elle peut être stationnaire si le milieu est fini ! E Faux voir schéma on retrouve des points au même endroit mais espacé de moins ou plus d’une période QCM 10 : Milieu et paramètres de l’Onde A) Si une onde change de milieu de propagation, sa fréquence restera identique dans le nouveau milieu. B) La célérité d’une onde dépend des caractéristiques du milieu matériel traversé. C) La célérité d’une onde dépend du phénomène physique perturbant le milieu de propagation. D) La fréquence des ondes sonores est imposée par la source. E) La longueur d’onde dépend à la fois du milieu de propagation et de la source d’émission. Réponse ABCDE QCM 11 : formulation Mathématique A) On note oméga ω la perturbation du milieu. B) La pulsation est inversement proportionnelle à la fréquence. C) L’unité de la pulsation est le rad.s-1. D) L’amplitude d’une pulsation dépend de la fréquence d’émission. E) L’amplitude d’une onde vaut toujours zéro au temps t=0s. Réponse C A faux, ω est la pulsation de l’onde D faux car dans la formule A (amplitude) est sortie de la fonction sinus et ne fait pas parti de la relation reliant ω à f NB : NOTION COMPLIQUEE ! Juste retenir ce qu’il demande en qcm QCM 12 : Phase et vecteur d’onde A) La phase est exprimée en m.s-1 B) La phase est une grandeur angulaire. C) La phase dépend de la position de la perturbation dans le milieu. D) La phase indique la valeur instantanée dans le cycle d’une grandeur physique qui varie cycliquement. E) Entre deux points x1 et x2 du milieu perturbé par la même onde, le déphasage varie entre -2π et +2π Réponse : BCD A faux elle n’a pas d’unité E -π et +π 15 Vecteur d’onde (pas forcément dans l’ordre par rapport au CM) QCM 13 : vecteur d’onde A) Il définit le sens de propagation de l’onde. B) Son scalaire donne directement le nombre d’oscillations par mètre parcouru. C) Sa norme est proportionnelle à la pulsation. D) Il donne le nombre de cycles dans un mètre parcouru par l’onde. E) Il est toujours parallèle à la direction de propagation de l’onde. Réponses ABCDE Pareil on retient les formules ce que veulent dire les variables leur unité et ce qui est proportionnel ou inversement proportionnel rien de plus ! QCM 14 : SPECTRE de Fréquence A) Le spectre d'un signal complexe périodique comporte une fréquence fondamentale et « n» harmoniques. B) Le spectre d'un signal non périodique comporte une fréquence fondamentale et «n» harmoniques. C) Le spectre est une représentation de l'amplitude de chaque composante harmonique du signal analysé. D) Le spectre d'un son pur comporte une fréquence fondamentale et une seule harmonique. E) Le spectre d'un signal périodique est obligatoirement un spectre de raies. Réponses ACE NB : Un son pur est uniquement un son composé de la fondamentale et non d’harmonique (logique car il est pur) QCM 15 SPECTRE de Fréquence : A) La 1ère fréquence de la décomposition d’une onde périodique sinusoïdale est toujours la fréquence fondamentale. B) Une onde non périodique est la superposition d’un nombre fini de mouvements sinusoïdaux. C) Les harmoniques sont en rapport simple avec la fondamentale. D) La fréquence d’une onde périodique est égale à la fréquence de l’onde décomposée. E) À tout moment, l’amplitude de l’onde périodique composée est la SOMME des amplitudes des ondes Réponse ACDE C les harmoniques sont des multiples de la fondamentale Les items sont présents dans l’animation moodle 16 QCM 16 Ondes COHÉRENTES : A) Elles ont la même longueur d’onde. B) Leur différence de phase est constante. C) Elles peuvent former une onde stationnaire dans un milieu fini. D) Elles peuvent être obtenues en scindant par diffraction une onde progressive sinusoïdale. E) Elles peuvent être obtenues par émission stimulée Réponse ABCDE C oui car les stationnaires ont bien une même longueur d’onde et un déphasage constant ce qui est bien le cas d’une onde cohérente D principe du miroir de fresnel E principe d’une onde laser PHENOMENES affectant la PROPAGATION (Réflexion – Réfraction – Diffusion) QCM 17 Propagation dans deux milieux différents : A) Lors de la réflexion d’une onde, une partie de l’énergie transportée est renvoyée dans le milieu initial. B) Lors de la réfraction d’une onde, une partie de l’énergie est transmise au second milieu. C) Le phénomène de réfraction est dû à une différence de célérités des milieux. D) Le phénomène de réflexion est dû à une différence de propriétés des milieux. E) Si l’onde atteint le second milieu avec un angle d’incidence de 45°, il n’y a pas de réfraction. Réponses ABCD 17 Propagation des ondes 1. Réflexion et Réfraction  Elle s'observe lorsqu'une onde passe d'un milieu (incident) à un second milieu (transmission).  Lors de la réfraction, la direction de propagation de l'onde est modifiée lorsque l'onde traverse l'interface séparant ces deux milieux.  L'onde est alors dite « réfractée ».  Cette déviation est due aux différences de célérité des ondes lorsqu’elles traversent des milieux, en rapport avec leurs différences de propriétés physiques. Réfraction Pour rappel : L’onde emprunte toujours le trajet le plus rapide mais pas le plus court d’où la réfraction Exemple de Quand on place un crayon dans un verre d'eau, le crayon réfraction nous paraît brisé (Le mot réfraction a la même origine que (exemple d'un le mot fracture). crayon dans un Ceci est dû à la déviation des rayons lumineux dans l'eau. verre)  C'est la propriété qui traduit la résistance (transparence relative) des milieux à la propagation des ondes électromagnétiques. Réfringence  Elle se traduit par une valeur numérique : l' « indice de réfraction », noté n.  L'interface entre deux milieux d'indices de réfraction différents s'appelle un dioptre en optique (cf figure « Réfraction-Homme»). Réfraction des ondes lumineuses dans le dioptre oculaire et des ondes sonores dans l'oreille (chez l’homme) L'œil est un dioptre convergent car les milieux de l'œil ont des indices de réfraction plus élevés (en moyenne = 1,37) que celui de l'air (qui vaut 1 par définition). Cette convergence est indispensable pour que le foyer image se forme sur la rétine. 18  Sans oreille moyenne (système tympano-ossiculaire), 99% de l'énergie sonore serait réfléchie. Grâce au système tympano-ossiculaire, 50% Dans l'oreille, les sons qui se environ de cette énergie est transmise à la périlymphe de l'oreille interne. déplacent dans l'air sont captés par le pavillon et devront être transmis aux milieux liquides de l'oreille interne d'impédance beaucoup plus élevée.  C'est l'équivalent de la résistance (pouvoir de ralentissement) d'un matériau conducteur pour les courants continus (loi d'Ohm), mais appliquée ici à un signal périodique.  L'impédance est une caractéristique du milieu de propagation des ondes mécaniques L'impédance (sons, ultrasons,...).  La différence d'impédance de deux milieux explique les phénomènes de réfractions et de réflexions des ondes mécaniques à l'interface de ces deux milieux.  L’impédance des milieux biologiques est proche de celle de l’eau. 2. Phénomènes observables Lors du passage de l'onde d'un milieu 1 à un milieu 2, on peut  Une Réfraction : déviation de la direction de propagation. observer:  Une Transmission sans déviation : o s'observe quand l'angle d'incidence i1 est égal à 0. o sin(i1)=sin(0°)=0, d'où sin(i2)=0 et i2=0° (cf loi de Descartes). Une partie de l'onde sera néanmoins réfléchie par l'interface, quelque soit l'angle d'incidence.  Une Réflexion : o Toute ou partie de l'énergie n'est pas transmise au second milieu. o D'autant plus importante que les différences de propriétés physiques des deux milieux sont importantes (cf réflexion des ondes sonores dans l'oreille ; figure « Refraction-Homme»). o Réflexion spéculaire : angles de réflexion identiques en tout point de l'interface. Autrement dit, le rayon est réfléchi dans une direction unique. o Une Diffusion (ou réflexion diffuse) : réflexion dans toutes les directions. 19  3. Loi de Descartes@ L'onde réfléchie se situe dans le plan d'incidence (plan défini par l'onde incidente et la normale à l'interface)  Onde incidente et onde réfractée sont situées de part et d'autre de la normale.  Les angles d'incidence i1 et de réfraction i2, sont mesurés par rapport à la normale. Cette relation est connue sous le nom de loi de Descartes (ou Snell-Descartes) Formule à connaître ! Plan d’incidence Approche Géométrique de la Loi de Descartes Le plan d'incidence est défini par le rayon incident i1 avec la perpendiculaire à l'interface entre les deux milieux. Plus n2 (Z2) sera grand par rapport à n1 (Z1) : -plus la réfraction sera grande, -plus l'onde sera déviée (réfractée) en se rapprochant de la perpendiculaire à l'interface (convergence), - plus i2 sera petit par rapport à i1. /!\ Si n2 est plus petit que n1 (verre → eau), on peut dépasser une incidence critique au delà de laquelle il y a réflexion totale : c'est l'effet miroir. Dioptre : surface séparant deux milieux transparents homogènes et isotropes ayant des indices de réfractions différents. 20  Explications : I2 = angle de réfraction limite I1 = angle d’incidence critique -Pour i1 = 90° - Pour i2 = 90° -C’est l’angle de réfraction - C’est l’angle d’incidence maximale maximal pour n1