À propos de cette page
Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Ondes mécaniques » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?, Modes de propagation : transversale et longitudinale, Célérité d'une onde, Notion de période et de fréquence. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).
Au programme
1 · Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?
2 · Modes de propagation : transversale et longitudinale
3 · Célérité d'une onde
4 · Notion de période et de fréquence
5 · Longueur d'onde
6 · Retard temporel et distance
7 · Exemples d'ondes mécaniques dans la vie courante
1Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?
Lorsqu'on perturbe localement un milieu matériel (eau, corde, air, sol…), la perturbation se propage de proche en proche : c'est une onde mécanique.
Définition. Une onde mécanique est la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel, sans transport de matière. Chaque point du milieu oscille localement, mais la matière ne se déplace pas globalement dans le sens de propagation.
Exemples classiques :
- Vaguelette à la surface de l'eau après un caillou.
- Vague sur une corde tendue quand on secoue une extrémité.
- Son : perturbation de pression dans l'air.
- Séisme : onde sismique dans la croûte terrestre.
Attention ! Une onde mécanique ne peut pas se propager dans le vide : elle nécessite un milieu matériel. (La lumière, elle, se propage dans le vide — ce sont des ondes électromagnétiques, hors programme de 2nde.)
2Modes de propagation : transversale et longitudinale
On distingue deux grandes catégories d'ondes mécaniques selon la direction de déplacement des particules du milieu par rapport à la direction de propagation.
Onde transversale. Le déplacement des particules du milieu est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde.
Exemple : onde sur une corde horizontale tendue — les particules montent et descendent verticalement, tandis que l'onde se propage horizontalement.
Onde longitudinale. Le déplacement des particules du milieu est parallèle à la direction de propagation de l'onde.
Exemple : onde sonore dans l'air — les molécules d'air se compriment et se détendent dans la même direction que l'onde se propage.
Schéma : classification des ondes mécaniques selon l'orientation de déplacement du milieu.
| Caractéristique | Onde transversale | Onde longitudinale |
|---|
| Déplacement du milieu | Perpendiculaire à la propagation | Parallèle à la propagation |
| Exemple concret | Corde vibrante, vague d'eau | Son dans l'air, ressort comprimé |
3Célérité d'une onde
L'onde se propage à une certaine vitesse appelée célérité. La célérité dépend du milieu de propagation, pas de la perturbation elle-même.
Célérité d'une onde. La célérité $v$ (en m/s) est la vitesse de propagation de la perturbation dans le milieu. Elle est donnée par :
$$v = \frac{d}{t}$$
où $d$ est la distance parcourue (en m) et $t$ la durée (en s).
Astuce. Pour retenir la relation : « vitesse = distance / durée ». On peut toujours retrouver $d = v \times t$ et $t = \frac{d}{v}$.
Ordres de grandeur à retenir :
| Milieu | Célérité du son |
|---|
| Air (20 °C) | $v \approx 340$ m/s |
| Eau douce (20 °C) | $v \approx 1480$ m/s |
| Fer | $v \approx 5100$ m/s |
Attention ! La célérité d'une onde dépend du milieu mais pas de la fréquence (dans un milieu non dispersif). Elle ne doit pas être confondue avec la vitesse de déplacement des particules du milieu.
Comparaison de la célérité du son selon le milieu de propagation (en m/s).
4Notion de période et de fréquence
Quand la source effectue des oscillations répétitives, l'onde produite est périodique.
Période. La période $T$ (en secondes, s) est la durée d'une oscillation complète. C'est la plus petite durée au bout de laquelle le signal se reproduit à l'identique.
Fréquence. La fréquence $f$ (en hertz, Hz) est le nombre d'oscillations par seconde. Elle est liée à la période par :
$$f = \frac{1}{T} \quad \text{ou} \quad T = \frac{1}{f}$$
Exemple. Une corde vibre avec une période $T = 0{,}02$ s. Sa fréquence est :
$f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0{,}02} = 50$ Hz.
Le son audible par l'être humain correspond à des fréquences entre 20 Hz et 20 000 Hz.
| Type d'onde | Fréquence typique |
|---|
| Son grave (basse) | 20 – 200 Hz |
| Son medium (voix) | 200 – 2000 Hz |
| Son aigu | 2000 – 20 000 Hz |
| Ultrason | > 20 000 Hz |
5Longueur d'onde
La longueur d'onde $\lambda$ (lambda) est la distance parcourue par l'onde pendant une période.
Longueur d'onde. La longueur d'onde $\lambda$ (en mètres, m) est liée à la célérité $v$ et à la période $T$ (ou à la fréquence $f$) par :
$$\lambda = v \times T = \frac{v}{f}$$
Sur un signal périodique, $\lambda$ correspond à la distance entre deux points consécutifs dans le même état vibratoire (deux crêtes, deux creux…).
Exemple. Un son de fréquence $f = 440$ Hz (note La) se propage dans l'air à $v = 340$ m/s. Sa longueur d'onde est :
$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{440} \approx 0{,}77$ m.
Astuce. Unités à vérifier : $v$ en m/s, $f$ en Hz → $\lambda$ en m. Si $v$ est en cm/s, $\lambda$ sera en cm.
6Retard temporel et distance
Lorsqu'une onde se propage, un point B situé à la distance $d$ de la source A reçoit la perturbation avec un retard $\tau$ (tau).
Retard temporel.
$$\tau = \frac{d}{v}$$
$\tau$ en s, $d$ en m, $v$ en m/s. Le point B oscille comme A, mais décalé dans le temps de $\tau$.
Exemple. Un éclair est observé à $t = 0$. Le tonnerre (onde sonore) est entendu $\tau = 3$ s plus tard. La distance de l'orage est :
$d = v \times \tau = 340 \times 3 = 1020$ m $\approx 1$ km.
Le signal reçu en B est identique à celui en A, mais décalé d'un retard $\tau = d/v$.
Attention ! On calcule toujours le retard avec $v$ = célérité de l'onde dans le milieu concerné. Ne pas confondre le retard $\tau$ avec la période $T$.
7Exemples d'ondes mécaniques dans la vie courante
Les ondes mécaniques sont omniprésentes dans la vie quotidienne :
- Le son : onde longitudinale de pression dans l'air, célérité $\approx 340$ m/s.
- Les vagues à la surface de l'eau : onde de surface (combinaison transversale/longitudinale), célérité variable selon la profondeur.
- Les séismes : ondes P (longitudinales, rapides) et ondes S (transversales, plus lentes) dans la croûte terrestre.
- Ultrason médical : onde longitudinale à haute fréquence ($f > 20$ kHz) utilisée en échographie.
- Sonar : émission d'ultra-sons dans l'eau pour mesurer la distance d'un obstacle ($d = v \times \frac{\Delta t}{2}$ aller-retour).
Astuce — Sonar et écho. Pour un sonar ou un écho, la distance est calculée en prenant la moitié du retard total (aller + retour) :
$$d = v \times \frac{\Delta t}{2}$$
★À retenir
À retenir — Ondes mécaniques (2nde)
• Une onde mécanique = propagation d'une perturbation dans un milieu matériel, sans transport de matière.
• Onde transversale : déplacement ⊥ propagation (ex. corde) ; onde longitudinale : déplacement ∥ propagation (ex. son).
• Célérité : $v = d/t$ (dépend du milieu, pas de la fréquence).
• Période $T$ (s) et fréquence $f$ (Hz) : $f = 1/T$.
• Longueur d'onde : $\lambda = v \times T = v/f$.
• Retard : $\tau = d/v$ ; pour un écho ou sonar : $d = v \times \Delta t / 2$.