Ondes, optique et acoustique : propagation, réfraction, lentilles et niveau sonore
Ce domaine couvre la propagation des ondes (relation entre vitesse, longueur d'onde et fréquence), l'optique géométrique (réflexion, réfraction, lentilles minces) et l'acoustique (intensité et niveau sonore en décibels, effet Doppler). Les questions de l'EXETAT demandent un calcul précis avec les bons angles et les bonnes unités.
Règles et méthodes
- Onde : v = λf ; T = 1/f. La fréquence est fixée par la source et ne change pas quand l'onde change de milieu ; la vitesse et la longueur d'onde, elles, changent.
- Réflexion : angle d'incidence = angle de réflexion, tous deux mesurés par rapport à la normale au miroir.
- Réfraction (Snell-Descartes) : n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂, avec n = c/v, c ≈ 3×10⁸ m/s. Passage vers un milieu plus réfringent : le rayon se rapproche de la normale.
- Lentilles minces : 1/f = 1/p + 1/p′ (p distance objet, p′ distance image) ; grandissement γ = −p′/p ; p′ > 0 image réelle, p′ < 0 image virtuelle.
- Acoustique : niveau sonore L = 10 log(I/I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m². Doubler l'intensité ajoute environ 3 dB ; la multiplier par 10 ajoute 10 dB.
- Effet Doppler : fréquence perçue plus élevée quand la source s'approche, plus basse quand elle s'éloigne.
Exemple rédigé
Un rayon passe de l'air (n₁ = 1,00) dans du verre (n₂ = 1,50) avec un angle d'incidence de 30° par rapport à la normale. Calculer l'angle de réfraction. sin i₂ = n₁ sin i₁ / n₂ = 1 × 0,5 / 1,5 = 0,333. i₂ = arcsin(0,333) ≈ 19,5°. Le rayon se rapproche bien de la normale : le verre est plus réfringent que l'air.
Pièges qui coûteux des marks
Mesurer l'angle par rapport à la surface au lieu de la normale (erreur classique en réfraction) ; laisser la calculatrice en degrés alors que la formule exige des radians, ou l'inverse ; croire que la fréquence change en changeant de milieu ; oublier que la loi de Snell n'a pas de solution si l'angle dépasse l'angle limite (réflexion totale) ; traiter le décibel comme une unité linéaire ; confondre image réelle et image virtuelle dans le signe de p′.