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Dans cette vidéo, nous allons examiner deux types différents d’ondes ainsi que leur similitudes et différences. Il se peut que l’on ait une idée très abstraite de ce qu’est réellement une onde. Peut-être que nous l’imaginons comme une chose qui se déplace en gigotant dans une certaine direction, ou bien comme un moyen de transférer de l’énergie d’un endroit à un autre. Mais pour comprendre les ondes transversales et longitudinales, nous devons d’abord comprendre la définition générale d’une onde. Eh bien, l’idée clé est qu’une onde est une sorte de perturbation, disons une sorte d’oscillation, qui transfère de l’énergie d’un point à un autre. Mais surtout, cela se fait sans un transfert réel de matière ni de la substance traversée par l’onde.
Alors, pour mieux comprendre cela, imaginons que nous ayons deux personnes, Gary et Mindy, qui tiennent les deux extrémités d’une corde à sauter. Ensuite, ils tiennent cette corde tendue. Et Gary va envoyer une onde le long de cette corde. Il le fait en déplaçant rapidement le bout de la corde qu’il tient vers le haut, puis vers le bas. Donc, ce que Gary vient de faire est de fournir de l’énergie à la corde à sauter. Il a également provoqué des perturbations dans la corde car, bien qu’à l’origine la corde soit stationnaire, il a fait bouger un morceau de la corde vers le haut et un autre morceau vers le bas. En d’autres mots, il fait parcourir une onde le long de cette corde. Et nous voyons que, au fur et à mesure que le temps avance, cette onde se propage sur la longueur de la corde. Donc, elle se dirige vers Mindy. Et l’onde elle-même, comme nous l’avons dit précédemment, est un transfert d’énergie de Gary vers Mindy. Et Mindy sera capable de ressentir cette énergie lorsque l’onde arrivera auprès d’elle.
Cependant, avant de penser à l’onde qui atteint Mindy, considérons un certain morceau de la corde, disons ce morceau de corde ici. Et voyons ce qui arrive à ce morceau de corde lorsque l’onde passe. Eh bien, nous voyons qu’à cet instant, le morceau de corde est exactement là où il se trouvait auparavant lorsque Gary n’avait pas encore déplacé la corde. En d’autres mots, il est dans la même position que précédemment. Mais dès que l’onde se rapproche, nous voyons que ce morceau de corde va commencer à bouger. Lorsque l’onde atteint enfin ce morceau de corde, nous voyons qu’il se déplace d’abord vers le haut, puis revient à sa position initiale où il était auparavant. Ensuite, il se déplace en dessous de sa position initiale, puis revient finalement à sa position initiale lorsque l’onde l’a quittée. Et donc, ce que nous avons vu ici, c’est que lorsque l’onde se déplace dans ce sens, notre morceau de corde vert se déplace de haut en bas par rapport à sa position initiale.
Donc, bien que notre morceau de corde vert se déplace, il n’y a pas de mouvement net de notre morceau de corde vert. Il se déplace d’abord vers le haut puis revient à sa position d’origine, puis vers le bas, puis revient à sa position d’origine. Donc, il oscille juste autour de sa position initiale. Et après que toute l’onde soit passée, devinez quoi ? Il est de nouveau de retour à sa position initiale. Et c’est ainsi que nous voyons un transfert d’énergie de gauche à droite sans aucun transfert net de matière, où dans ce cas la matière est la substance qui compose la corde. La corde elle-même ne se déplace pas de gauche à droite. Mais l’énergie est transférée de gauche à droite le long de la corde. Alors, maintenant que nous comprenons cette propriété générale des ondes, regardons les différentes classifications des ondes.
Les deux classifications d’ondes que nous allons examiner sont appelées ondes transversales et ondes longitudinales. Évidemment, ces deux types d’ondes transfèrent de l’énergie. Mais la principale différence entre les ondes transversales et longitudinales est la direction d’oscillation du milieu ou de la matière dans laquelle l’onde se propage, par rapport à la direction du mouvement de l’onde. Peut-être cela semble un peu compliqué. Essayons de comprendre cela par étapes.
Commençons par les ondes transversales. Nous avons déjà vu un exemple d’onde transversale. L’onde qui se déplace le long de notre corde à sauter de gauche à droite est un exemple d’onde transversale. Et la raison pour laquelle on appelle cela une onde transversale est parce que lorsque l’onde elle-même se déplace de gauche à droite, chaque petit morceau de la corde à sauter se déplace vers le haut ou vers le bas par rapport à sa position initiale. Et si nous devions avoir une onde continue se déplaçant le long de cette corde plutôt qu’une seule impulsion, nous verrions que chaque petit morceau de corde continue de se déplacer de haut en bas et de haut en bas et de haut en bas. En d’autres mots, la direction d’oscillation de chaque morceau de corde, du milieu dans lequel se propage l’onde, est perpendiculaire à la direction dans laquelle l’onde elle-même se propage. Alors, dans ce cas, l’onde se propage de gauche à droite. Et la direction d’oscillation de chaque petit morceau de la corde est de haut en bas. Ces deux directions sont perpendiculaires, ou forment un angle droit, par rapport à la direction dans laquelle l’onde se propage, qui est de gauche à droite comme nous l’avons dit plus tôt.
Et donc nous pouvons dire que notre définition d’une onde transversale est que la direction d’oscillation, c’est-à-dire la direction dans laquelle chaque petit segment de notre corde se déplace, dans ce cas perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde elle-même. Un bon exemple d’onde transversale est la lumière ou toute autre forme de rayonnement électromagnétique. Ce type de rayonnement est créé par le mouvement transversal, l’excitation de haut en bas comme nous l’avons dessiné ici, des champs électriques et magnétiques. Ainsi, l’énergie peut se propager de gauche à droite ou de droite à gauche par rapport à notre schéma.
Après les ondes de lumière, considérons ensuite les ondes sonores. Les ondes sonores sont une sorte d’onde longitudinale. Dans ce type de milieu, si l’onde se propage vers la droite, les oscillations du milieu décrivent un va-et-vient parallèle à la direction dans laquelle l’onde se propage, contrairement à une onde transversale où les oscillations sont perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde.
Eh bien, les ondes sonores sont des oscillations de particules d’air ou des oscillations du milieu dans lequel elles se propagent. Mais le plus souvent, nous pensons aux ondes sonores se propageant dans l’air. Alors imaginons que celles-ci soient des particules d’air. Alors, quand une onde sonore traverse cette région, nous voyons des régions à forte concentration de particules d’air, appelées compressions, et des régions à faible densité de particules, appelées raréfactions. Et à mesure que l’onde se propage de gauche à droite, chaque région de compression et région de raréfaction se déplace également vers la droite. Cependant, si nous devions nous concentrer sur une particule spécifique parmi ces particules d’air, nous verrions que lorsque l’onde se déplace de gauche à droite, la particule elle-même n’oscille que de gauche à droite et de droite à gauche. Et de nouveau, elle oscille autour de sa position initiale, tout comme ce morceau de corde l’a fait lorsque nous envisagions des ondes transversales.
Et en revenant aux ondes longitudinales, ce que nous voyons, c’est que chaque particule oscille en avant et en arrière, de gauche à droite et de droite à gauche, autour de sa position initiale tandis que l’onde elle-même se déplace de gauche à droite telle que nous l’avons dessinée. Et donc on peut dire, pour les ondes longitudinales, que la direction d’oscillation est parallèle à la direction de la propagation de l’onde. Et donc, à ce stade, nous avons vu la différence entre les ondes transversales et longitudinales. Dans les ondes transversales, la direction d’oscillation est perpendiculaire à la direction de propagation des ondes alors que, pour les ondes longitudinales, elle est parallèle à la direction de la propagation des ondes.
Bref, nous avons déjà vu que, pour les ondes longitudinales, les zones de forte concentration sont appelées compressions. Et les zones de faible concentration sont connues sous le nom de raréfactions. Eh bien, nous pouvons également nous rappeler que, pour les ondes transversales, si nous traçons un pointillé pour représenter la position initiale du milieu avant même que l’onde ne se produise, alors nous pouvons dire que le déplacement maximal du milieu, loin de cette position d’équilibre initiale dans le sens positif ou vers le haut sur notre schéma, s’appelle un pic ou une crête, tandis que le déplacement maximal dans le sens opposé, donc dans le sens négatif. Eh bien, cette région de l’onde s’appelle un creux. Nous pouvons donc utiliser les mots crête ou pic et creux pour décrire les ondes transversales. Et nous pouvons également utiliser des compressions et des raréfactions pour décrire les ondes longitudinales. Cependant, certains termes plus généraux peuvent être utilisés pour décrire les deux types d’ondes, par exemple des mots tels que longueur d’onde.
Eh bien, la longueur d’onde d’une onde, qu’elle soit transversale ou longitudinale, est définie comme la distance parcourue par un cycle complet de l’onde. Ainsi, pour une onde transversale, un cycle complet pourrait, par exemple, commencer ici et ensuite remonter jusqu’à zéro, puis redescendre jusqu’en bas et revenir à cette position ici. En d’autres mots, ce point ici et ce point ici sont deux points exactement équivalents, car ces deux points sont à la position d’équilibre de l’onde. Et en nous déplaçant vers la droite depuis les des deux points, le déplacement de l’onde augmente. Et donc entre ce point et ce point, l’onde a parcouru un cycle complet. Par conséquent, la longueur d’onde, que nous pouvons appeler 𝜆, est la distance la plus courte entre ces deux points. Et c’est ainsi que nous calculons la longueur d’onde d’une onde transversale.
Inversement, on pourrait dire que la longueur d’onde d’une onde transversale est la distance entre deux pics adjacents ou deux creux adjacents, autrement dit, la distance d’ici à là par exemple, car rappelez-vous, la longueur d’onde est la distance parcourue par un cycle complet de l’onde. Et cette distance d’ici à là est la même que cette distance que nous avons notée ici. Donc, cette distance est aussi la longueur d’onde.
Et puis, pour une onde longitudinale, un cycle complet de l’onde contient une compression et une raréfaction. Nous pouvons donc définir la longueur d’onde d’une onde longitudinale comme la distance entre le début d’une région de compression et le début de la prochaine région de compression, car cette région contient alors une compression et une raréfaction. Ou inversement, un moyen plus facile de mesurer cela est la distance entre le centre d’une région de compression et le centre de la suivante, car cette distance est la même que celle que nous avons notée ici. Et les deux distances orange sont 𝜆, la longueur d’onde d’une onde longitudinale. Nous pouvons donc utiliser le mot longueur d’onde pour décrire quelque chose concernant les ondes transversales et longitudinales.
Ensuite, regardons un autre mot que nous pouvons utiliser pour décrire certaines propriétés des cettes deux types d’ondes. Ce mot est l’amplitude. Eh bien, l’amplitude d’une onde est le déplacement maximal possible du milieu dans lequel elle oscille. Donc, pour le cas transversal, si nous considérons une onde sur une corde, alors le milieu qui oscille est la corde elle-même. Et le déplacement maximal possible que ce milieu peut avoir est la distance maximale possible entre sa position d’équilibre, la position dans laquelle il se trouvait avant l’arrivée de l’onde, et la position qu’il atteint en oscillant. Exprimé autrement, la distance entre la position d’équilibre ou sa position initiale et un pic ou la distance entre la position d’équilibre et un creux, qui sont les mêmes distances, sont appelées amplitude, que nous appellerons 𝐴. Donc, encore une fois, l’amplitude est le déplacement maximal possible du milieu oscillant.
Maintenant, pour une onde longitudinale, cela devient un peu plus délicat, car, rappelez-vous, les oscillations du milieu vont et viennent, parallèlement à la direction dans laquelle l’onde se propage. Alors admettons que la particule que nous avons notée est actuellement dans la position où elle a commencé avant le passage de l’onde. Eh bien, dans ce cas, l’amplitude de l’onde longitudinale est le déplacement maximal possible de cette particule dans un sens, c’est-à-dire la distance entre sa position initiale et son déplacement maximal possible, qui est ici, ou également la distance entre sa position d’équilibre et le déplacement maximal possible dans l’autre sens. Ces deux distances sont les mêmes. Et nous les appelons l’amplitude de l’onde longitudinale. Et nous pouvons voir ici des points communs entre les ondes transversales et longitudinales. Nous pouvons voir que l’amplitude équivaut à la distance entre les positions des particules ou du milieu avant que l’onde ne se produise ou lorsque l’onde n’était pas encore présente et le point où le milieu se retrouve lorsqu’il est à son déplacement maximal. Désormais, nous avons examiné un deuxième mot qui peut servir à décrire les propriétés des ondes transversales et longitudinales.
Finalement, il y a un dernier mot que nous allons examiner. Et ce mot est fréquence. Alors, la fréquence d’une onde est définie comme le nombre de cycles que complète une onde passant par un point par unité de temps, par exemple, par seconde. En d’autres mots, nous savons que, dans les deux cas, la façon dont nous avons dessiné ces ondes ici, elles se propagent de gauche à droite. Et donc pour l’onde transversale, par exemple, à un moment donné, l’onde est ici. Mais après un certain temps, chaque onde se trouve déplacée légèrement vers la droite. Elle se propage vers la droite. Dit autrement, ce pic est passé d’ici à là. Et ce point médian est passé d’ici à là et ainsi de suite. Et donc si nous devions placer un observateur, par exemple, ici, il y a l’oeil qui regarde l’onde depuis en-haut, et il devait compter le nombre de cycles complets de l’onde passant à cette position dans l’espace par seconde ou par minute, par exemple, il pourrait alors calculer la fréquence de l’onde.
Alors, un moyen facile de faire cela serait de compter le nombre de pics passant par seconde ou de manière équivalente le nombre de creux passant par seconde ou, bien sûr, le nombre de n’importe quel point donné du cycle passant par seconde. Mais cela se fait le plus facilement avec des pics ou des creux. Et de même, pour les ondes longitudinales, nous pourrions placer un observateur ici. Et il pourrait compter le nombre de compressions passant par ce point à chaque seconde ou chaque minute. Et cela lui indiquerait également la fréquence de l’onde longitudinale. Et donc, à ce stade, nous avons examiné trois mots différents pour décrire les propriétés des ondes transversales et longitudinales, la longueur d’onde d’une onde, l’amplitude d’une onde et la fréquence d’une onde. En plus de cela, nous avons examiné les similitudes et les différences entre les ondes transversales et longitudinales ainsi que leurs propriétés principales, qui définissent ce qu’elles sont réellement. Donc, tout cela étant dit, regardons un exemple.
Une onde transversale est constituée de particules individuelles qui pourraient se déplacer selon les sens A, B, C et D indiqués sur le schéma. Selon lequel des sens suivants la particule jaune peut-elle se déplacer alors que l’onde se propage vers la droite?
Bon, donc sur ce schéma, nous pouvons voir que nous avons un tas de particules bleues qui oscillent toutes lorsqu’une onde se déplace de gauche à droite. Alors, dans cette question, nous nous concentrons sur cette particule jaune au milieu. On nous demande de trouver dans quel sens parmi, A, B, C ou D, la particule jaune peut se déplacer lorsque l’onde se propage de gauche à droite. Et surtout, on nous a dit que cette onde est une onde transversale.
Alors, nous pouvons rappeler que, pour une onde transversale, la direction d’oscillation est perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde, où dans ce cas la direction d’oscillation se réfère à la direction dans laquelle tous ces points bleus peuvent se déplacer. Et la direction de propagation de l’onde est la direction dans laquelle l’onde se déplace, dans ce cas de gauche à droite. Donc, si l’onde peut se propager de gauche à droite et que la direction d’oscillation de chacun de ces points est perpendiculaire à celle-ci ou, en d’autres termes, à angle droit, alors chacun de ces points peut se déplacer vers le haut ou vers le bas, car l’axe haut-bas est perpendiculaire, c’est-à-dire il forme un angle droit, par rapport au sens dans de propagation de l’onde. Et nous pouvons donc voir que la particule jaune en question peut se déplacer dans la direction A ou la direction C.
Maintenant, nous pouvons voir que ce schéma est essentiellement une prise de vue instantanée de l’onde se déplaçant dans l’espace. Cependant, si nous regardions la même onde un peu plus tard, nous verrions que l’onde a légèrement avancé. Et la raison pour laquelle cela s’est produit est parce que, par exemple, cette particule est descendue. Cette particule est aussi descendue. Celle-ci est descendue. Celle-ci est descendue un peu. Celle-ci a monté un peu. Celle-ci a monté et ainsi de suite. Nous pouvons donc voir comment les particules oscillent de haut en bas pour que l’onde se déplace de gauche à droite. Et cela confirme la réponse à laquelle nous sommes arrivés avant. Le sens dans lequel la particule jaune peut se déplacer lorsque l’onde se déplace vers la droite est le sens A ou le sens C.
Bon, alors maintenant que nous avons examiné une question sur les ondes transversales, regardons une question sur les ondes longitudinales.
Une onde longitudinale est constituée de particules individuelles qui pourraient se déplacer dans les sens A, B, C et D représentés sur le schéma. Dans lequel des sens suivants la particule jaune représentée sur le schéma peut-elle se déplacer lorsque l’onde se propage vers la droite?
D’accord, donc dans cette question, nous avons ces particules bleues qui composent un milieu. Et ce milieu porte une onde longitudinale se propageant de gauche à droite. De plus, on nous a demandé de considérer cette particule jaune en particulier. Nous devons déterminer dans quel sens A, B, C ou D cette particule jaune peut se déplacer. Alors pour répondre à cette question, nous devons rappeler que, pour les ondes longitudinales, la direction d’oscillation est parallèle à la direction de propagation des ondes, où la direction d’oscillation fait référence à la direction dans laquelle ces particules peuvent se déplacer lorsque l’onde passe à travers le milieu constitué par ces particules particulières. Et la direction de propagation de l’onde est simplement la direction dans laquelle l’onde se propage, dans ce cas de gauche à droite.
Donc, si l’onde se propage de gauche à droite et que les particules peuvent se déplacer dans n’importe quelle direction parallèle à celle-ci, les particules elles-mêmes peuvent se déplacer de gauche à droite ou de droite à gauche. En d’autres mots, ils peuvent se déplacer selon le sens B ou le sens D. Par ailleurs, un moyen facile de se rappeler que pour les ondes longitudinales, celles-là sont les sens possibles de l’oscillation, est de se rappeler que, dans une onde longitudinale, les particules se déplacent dans la même direction que l’onde elle-même. Et par conséquent, nous avons trouvé la réponse à notre question. Les sens dans lesquelles la particule jaune peut se déplacer lorsque l’onde se propage vers la droite sont les sens B et D.
Alors, maintenant que nous avons examiné quelques exemples de questions, résumons ce dont nous avons parlé dans cette leçon.
Nous avons tout d’abord vu que les ondes transfèrent de l’énergie d’une région à une autre, sans aucun transfert net de matière ni de la substance dans laquelle elles se propagent. Nous avons également vu que, dans les ondes transversales, la direction d’oscillation du milieu, c’est-à-dire le milieu dans lequel les ondes se propagent, est perpendiculaire à la direction du mouvement de l’onde, alors que pour les ondes longitudinales, la direction d’oscillation du milieu est parallèle à la direction de la propagation des ondes. Et enfin, nous avons vu que les propriétés que possèdent les deux types d’ondes étaient leur longueur d’onde, leur amplitude et leur fréquence.
