MAROC ZAIN ACADEMY Learn • Train • Succeed

Ondes & propagation CPGE.

“`html
COURS 11 • PHYSIQUE CPGE

Propager.
Interférer. Résonner.

Les ondes transportent de l’énergie et de l’information sans transport global de matière. Ce chapitre construit les bases indispensables : équation d’onde, célérité, phase, superposition, interférences, ondes stationnaires, dispersion et vitesse de groupe.

1. QU’EST-CE QU’UNE ONDE ?

Une perturbation qui se propage.

Onde mécanique

Elle nécessite un milieu matériel : corde, son, vague, onde élastique.

Onde électromagnétique

Elle peut se propager dans le vide.

Transport

Une onde peut transporter énergie, information et quantité de mouvement.

Principe

La matière oscille localement tandis que la perturbation se déplace.

2. ÉQUATION D’ONDE

Le cœur mathématique de la propagation.

En une dimension, une grandeur s(x,t) peut vérifier :

∂²s/∂x² – (1/c²)∂²s/∂t² = 0

où c est la célérité de propagation.

Réflexe CPGE : reconnaître immédiatement une équation de d’Alembert.
3. ONDE PROGRESSIVE

Une forme qui se déplace sans se déformer.

Vers +x

s(x,t)=f(t-x/c)

Vers -x

s(x,t)=g(t+x/c)
MZA WAVE ENGINE

Lire une onde en six étapes.

01MILIEU
02DIRECTION
03CÉLÉRITÉ
04PHASE
05SUPERPOSITION
06ÉNERGIE
4. ONDE SINUSOÏDALE

La forme fondamentale.

s(x,t)=A cos(ωt-kx+φ₀)

avec :

ω = 2πf
k = 2π/λ
c = ω/k = λf
5. PHASE

Comparer l’état vibratoire de deux points.

Pour une onde progressive sinusoïdale :

φ(x,t)=ωt-kx+φ₀

La différence de phase entre deux points séparés de Δx vaut :

Δφ = kΔx = 2πΔx/λ
6. RETARD DE PROPAGATION

La même perturbation observée plus tard.

Deux points séparés d’une distance d présentent un retard :

τ = d/c

Le signal en B peut donc s’écrire comme le signal en A retardé :

sB(t)=sA(t-τ)
7. SUPERPOSITION

Les ondes linéaires s’additionnent.

Si deux ondes s₁ et s₂ sont présentes :

s = s₁ + s₂

Ce principe explique interférences, battements et ondes stationnaires.

8. INTERFÉRENCES

Renforcer ou annuler une vibration.

Constructives

Δφ = 2πm

Les amplitudes se renforcent.

Destructives

Δφ = (2m+1)π

Les amplitudes peuvent se compenser.

9. DIFFÉRENCE DE MARCHE

Relier géométrie et phase.

Si deux ondes cohérentes parcourent des distances différentes :

δ = r₂-r₁

La différence de phase vaut :

Δφ = 2πδ/λ

Interférences constructives :

δ = mλ

Interférences destructives :

δ = (m+½)λ
10. BATTEMENTS

Deux fréquences proches produisent une modulation lente.

Pour deux fréquences f₁ et f₂ proches :

fbatt = |f₁-f₂|

L’amplitude résultante varie lentement tandis que l’oscillation rapide reste voisine de la fréquence moyenne.

11. ONDES STATIONNAIRES

Deux ondes opposées créent une structure fixe.

La superposition de deux ondes de même amplitude et même fréquence se propageant en sens opposés peut donner :

s(x,t)=2A cos(kx) cos(ωt)

La dépendance spatiale et temporelle est alors séparée.

12. NŒUDS & VENTRES

Des points immobiles et des points d’amplitude maximale.

Nœuds

Amplitude nulle.

cos(kx)=0

Ventres

Amplitude maximale.

|cos(kx)|=1
13. CORDE FIXÉE AUX DEUX EXTRÉMITÉS

La quantification des modes propres.

Pour une corde de longueur L fixée en x=0 et x=L :

λn = 2L/n

donc :

fn = nc/(2L)

avec n entier positif.

14. CÉLÉRITÉ SUR UNE CORDE

Lier mécanique et propagation.

Pour une corde sous tension T et de masse linéique μ :

c = √(T/μ)

La célérité augmente avec la tension et diminue lorsque la corde est plus massive par unité de longueur.

15. ÉNERGIE TRANSPORTÉE

Une onde transporte de la puissance.

Pour de nombreux systèmes linéaires, la puissance moyenne transportée est proportionnelle :

⟨P⟩ ∝ A²ω²

À fréquence donnée, doubler l’amplitude multiplie typiquement la puissance moyenne par quatre.

16. DISPERSION

Quand toutes les fréquences ne voyagent pas à la même vitesse.

Un milieu est dispersif lorsque la relation :

ω = ω(k)

n’est pas simplement proportionnelle à k.

La vitesse de phase vaut :

vφ = ω/k
17. VITESSE DE GROUPE

Suivre l’enveloppe d’un paquet d’ondes.

vg = dω/dk

Dans un milieu non dispersif :

vg = vφ = c

Dans un milieu dispersif, les deux vitesses peuvent être différentes.

18. EXERCICES PROGRESSIFS

Phase, célérité, interférences.

NIVEAU 1

Exercice 1 — Longueur d’onde

Une onde de fréquence f se propage à la célérité c. Déterminer λ.

Utilisez c=λf.
NIVEAU 2

Exercice 2 — Retard

Deux capteurs séparés d’une distance d détectent la même perturbation. Déterminer le retard temporel.

Le retard est la distance divisée par la célérité.
NIVEAU 3

Exercice 3 — Interférences

Deux sources cohérentes produisent au point M une différence de marche δ. Donner la condition d’interférence constructive.

Reliez δ à la longueur d’onde λ.
NIVEAU PRÉPA

Exercice 4 — Corde vibrante

Une corde de longueur L est fixée aux deux extrémités. Déterminer la fréquence du troisième mode propre.

Utilisez fₙ=nc/(2L) avec n=3.
19. PROBLEM LAB

Mission : corde de guitare.

Situation

Une corde de longueur L, de masse linéique μ, est tendue par une force T. Elle est fixée à ses deux extrémités et excitée afin de produire des modes stationnaires.

Votre mission :

  1. exprimer la célérité des ondes sur la corde ;
  2. établir les conditions aux limites ;
  3. déterminer les longueurs d’onde autorisées ;
  4. obtenir les fréquences propres ;
  5. identifier le fondamental ;
  6. déterminer les trois premiers harmoniques ;
  7. étudier l’effet d’une augmentation de la tension T ;
  8. étudier l’effet d’une augmentation de μ ;
  9. expliquer comment un musicien modifie la fréquence en raccourcissant la longueur vibrante ;
  10. relier la théorie à la hauteur du son.
Commencez par c=√(T/μ), puis imposez un nœud aux deux extrémités.
Les conditions aux limites imposent L=nλ/2. Combinez ensuite cette relation avec c=λf.
MZA WAVE CHECK

Les six réflexes des ondes.

ADIRECTION
Bλ / f
CPHASE
DINTERFÉRENCE
EMODES
FDISPERSION
20. QCM DE VALIDATION

Diagnostic Ondes & propagation CPGE.

Le score est affiché sans révéler les réponses correctes.

1. La relation entre célérité, longueur d’onde et fréquence est :
2. Une onde progressive vers +x peut s’écrire :
3. Pour des interférences constructives :
4. Dans une onde stationnaire :
5. La vitesse de phase vaut :
6. La vitesse de groupe vaut :
c = λf

Comprendre une onde, c’est savoir lire simultanément l’espace, le temps et la phase.

Propagation, interférences, modes propres et dispersion forment la base de l’acoustique, de l’optique ondulatoire et des futures ondes électromagnétiques.

“`