Synthèse de raisonnements physiques sur les ondes

Résumé du document

Ce document de synthèse présente quelques concepts utiles pour mieux comprendre le fonctionnement de certains dispositifs expérimentaux, apprendre à les exploiter pour critiquer les résultats expérimentaux qu'ils permettent, les utiliser pour guider les analyses et interprétations. Les raisonnements suivants sont étudiés : analyse scientifique du cinéma, raisonnements sur les différentes représentations de la lumière, rappels d'optique géométrique (systèmes centrés, lentilles), propagation d'une onde sinusoïdale, la théorie des ondes électromagnétiques de Maxwell, les spectres d'émission et d'absorption des atomes, et enfin l'ionisation des atomes et la mesure électrique de l'intensité lumineuse.

Extraits

[...] Quelques observations plus précises sur le son (voir figure Le son est “mémorisé” dans une substance magnétique déposée sur le film Un “capteur” transforme les informations magnétiques en courant électrique (signal) Un amplificateur électronique donne au signal électrique l'énergie nécessaire pour déplacer la membrane du HP Les mouvements de la membrane sont transmis à l'oreille par les molécules d'air Les capteurs de l'oreille transmettent l'information au cerveau Une source sonore isotrope émet la même puissance sonore dans toutes les directions. Ce n'est pas le cas du HP qui envoie le son plutôt selon une direction : Il est directif Le son est une onde mécanique Il ne peut se propager qu'a travers de la matière. Analyse (Mathématiques) spectrale (dans le domaine des fréquences) d'un signal périodique = Σi [Ai.cos(ωit+ϕi)] (Série de Fourier). Le son (physique) est une somme de vibrations sinusoïdales [A.cos(ωt+ϕ)]. [...]

[...] ABSORPTION: So(Z) et décroissent si Z croît Dans un milieu homogène et isotrope: = So².Exp[-k.L]. La longueur d'onde = distance parcourue par l'onde en une période dans le temps = λ = v.T PUISSSANCE ou INTENSITE LUMINEUSE : VIBRATION LUMINEUSE I = a.So(z)². Puissance d'une source ou d'un rayon lumineux = Σi [Ephoton(i) = h.fi où h = -34J/s] CARACTERISTIQUES du MILIEU Indice de réfraction n=c/v # 3.108 et ISOTROPIE et/ou HOMOGENEITE A RETENIR : Les CRITERES qui doivent guider le CHOIX L'OPTIQUE GEOMETRIQUE ne concerne que la propagation de l'énergie lumineuse. [...]

[...] Photons [constituant microscopique de la lumière] et capteurs de lumière OPTIQUE QUANTIQUE et effet photoélectrique. VIBRATIONS SINUSOIDALES et ONDES Formalisme mathématique d'une VIBRATION SINUSOIDALE Ao.cos(ωt+ϕ) avec ω=2Πf = 2Π/T et f=1/T Ne dépend que de la source : T = Période (secondes), f = fréquence (hertz - Hz ou ω ' pulsation (Radians/seconde - Dépend aussi de la propagation de l'onde : A = Amplitude, phase ϕ puissance et énergie Sources isotropes Même intensité de l'émission dans toutes les directions de l'espace autour de la source 4Π stéradians). [...]

[...] Cas des PHOTORESISTANCES Le rapport U/I dépend de l'intensité du rayonnement reçu. Cas des PHOTODIODES (Une diode ne laisse pratiquement pas passer le courant électrique en “sens bloqué”) Si Nph/s photons arrivent toutes les secondes Il créent Ne/s = α.Nph/s électrons libres par seconde. Si les électrons sont soumis à une DDP Chaque seconde la charge Q/s = Ne/s -19 C = I traverse le circuit Les photons qui libèrent un électron augmentent la conduction Δi = Variation d'intensité = Ne/s -19 C L'intensité du courant “inverse” en “sens bloqué” augmente fortement avec le rayonnement A RETENIR sur les DIFFERENTES REPRESENTATIONS de la LUMIERE Origine des ondes Différents domaines du SPECTRE des ONDES ELECTROMAGNETIQUES Vibration de charges électriques ondes électromagnétiques (propagation ne nécessite pas un milieu matériel) Charges libres d'une antenne mises en mouvement dans des solides par des oscillateurs électroniques Particules chargées agitées par la chaleur 12. [...]

[...] On utilise le vecteur champ électrique (appelé le vecteur lumineux en optique). L'onde est VECTORIELLE (contrairement au son) POLARISATION de l'onde et des récepteur antennes TV) Les SPECTRES d'EMISSION et d'ABSORPTION des ATOMES RAYONNEMENT LUMINEUX (macroscopique) longueur d'onde (dans le vide) λ = c.T = c/f PHOTONS (microscopiques) d'énergie h.f h.c/λ dans le vide) où h # -34 J.s L'énergie φ(λ) d'un rayon lumineux de fréquence f = c/λ formée de N photons (d'énergie hf) est φ(λ) = N.hf. Le MODELE ATOMIQUE de BOHR (modèle semi-quantique -1913) . [...]