À propos de cette page
Ce cours de physique en troisième sur « Ondes électromagnétiques et spectre » suit le programme officiel de physique de troisième. 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 électromagnétique ?, La lumière blanche et la dispersion, Le spectre de la lumière visible, Longueur d'onde et 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 troisième à réussir en physique.
Au programme
1 · Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ?
2 · La lumière blanche et la dispersion
3 · Le spectre de la lumière visible
4 · Longueur d'onde et fréquence
5 · Les domaines du spectre électromagnétique
6 · Propriétés des ondes électromagnétiques
7 · Applications et dangers
1Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ?
Une onde électromagnétique est une perturbation qui associe un champ électrique et un champ magnétique oscillants et perpendiculaires. Contrairement aux ondes mécaniques (comme le son), les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de milieu matériel pour se propager : elles se transmettent dans le vide.
Définition. Une onde électromagnétique est une onde qui résulte du couplage d'un champ électrique et d'un champ magnétique variables. Elle transporte de l'énergie sans transport de matière.
Dans le vide, toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la même vitesse, appelée vitesse de la lumière :
c = 3 × 108 m/s ≈ 300 000 km/s
Astuce. La vitesse de la lumière c est une constante fondamentale de la physique. La lumière parcourt la distance Terre-Lune (384 000 km) en environ 1,3 seconde.
2La lumière blanche et la dispersion
La lumière blanche (comme la lumière du Soleil) est une lumière composée d'une multitude de couleurs superposées. Elle n'est pas une couleur unique mais un mélange de toutes les couleurs du spectre visible.
Lorsque la lumière blanche traverse un prisme en verre ou des gouttes d'eau, elle se décompose en ses différentes couleurs : c'est la dispersion de la lumière.
Dispersion. La dispersion est la séparation des différentes couleurs d'une lumière polychromatique lors de sa réfraction dans un milieu transparent (prisme, gouttes de pluie). Elle se produit parce que chaque couleur a un indice de réfraction légèrement différent dans le prisme.
L'arc-en-ciel est un magnifique phénomène naturel de dispersion : les gouttes d'eau dans l'atmosphère jouent le rôle de prismes.
Exemple. Newton fut le premier à montrer (1666) qu'un prisme de verre décompose la lumière blanche. Il prouva ensuite qu'un second prisme, utilisé à l'envers, recombine les couleurs en lumière blanche.
Attention ! La lumière blanche n'est pas la somme des lumières colorées au sens de la synthèse soustractive (peintures). En lumière, le rouge + vert + bleu donnent du blanc (synthèse additive).
3Le spectre de la lumière visible
Le spectre de la lumière visible est l'ensemble des radiations lumineuses perceptibles par l'œil humain. Il s'étend du violet au rouge, en passant par le bleu, le vert, le jaune et l'orange.
| Couleur | Longueur d'onde (nm) |
|---|
| Violet | 380 – 450 nm |
| Bleu | 450 – 495 nm |
| Vert | 495 – 570 nm |
| Jaune | 570 – 590 nm |
| Orange | 590 – 620 nm |
| Rouge | 620 – 780 nm |
Lumière monochromatique. Une lumière est dite monochromatique si elle correspond à une seule longueur d'onde (ou une couleur unique). Exemple : un laser rouge à 650 nm. À l'opposé, la lumière blanche est polychromatique.
Lors de la dispersion par un prisme, le violet est le plus dévié et le rouge est le moins dévié. La déviation est inversement proportionnelle à la longueur d'onde.
Astuce mnémotechnique. Pour retenir l'ordre des couleurs du spectre, retiens : ViBleVeJauOrRo (Violet, Bleu, Vert, Jaune, Orange, Rouge).
4Longueur d'onde et fréquence
Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par deux grandeurs complémentaires :
- La longueur d'onde λ (lambda) : distance parcourue par l'onde pendant une oscillation complète. Unité : le mètre (m) ou le nanomètre (nm). 1 nm = 10-9 m
- La fréquence f : nombre d'oscillations par seconde. Unité : le hertz (Hz).
Relation fondamentale. Dans le vide, la longueur d'onde λ, la fréquence f et la vitesse de la lumière c sont liées par :
c = λ × f
avec c = 3 × 108 m/s.
Exemple. La lumière rouge a une longueur d'onde λ = 650 nm = 650 × 10-9 m.
Sa fréquence : f = c / λ = (3 × 108) / (650 × 10-9) ≈ 4,6 × 1014 Hz.
Plus la longueur d'onde est grande, plus la fréquence est petite, et vice versa. Le rouge (grande λ) a une fréquence plus basse que le violet (petite λ).
Attention aux unités ! Convertis toujours les nm en m avant d'appliquer c = λ × f. Multiplier les nm par 10-9 pour obtenir des mètres.
5Les domaines du spectre électromagnétique
Le spectre électromagnétique s'étend bien au-delà de la lumière visible. On distingue plusieurs domaines, classés par longueur d'onde décroissante (ou fréquence croissante) :
| Domaine | Longueur d'onde | Exemples d'usage |
|---|
| Ondes radio | > 1 mm | Radio AM/FM, télévision, téléphonie mobile 4G/5G |
| Micro-ondes | 1 mm – 1 m (environ) | Four à micro-ondes, Wi-Fi, radar |
| Infrarouge (IR) | 780 nm – 1 mm | Télécommande, vision nocturne, chaleur |
| Visible | 380 – 780 nm | Lumière perçue par l'œil humain |
| Ultraviolet (UV) | 10 – 380 nm | Stérilisation, lampes UV, bronzage |
| Rayons X | 0,01 – 10 nm | Radiographie médicale, contrôle en aéroport |
| Rayons gamma (γ) | < 0,01 nm | Médecine nucléaire, astronomie |
Ordre à retenir. Des grandes aux petites longueurs d'onde : Radio → Micro-ondes → Infrarouge → Visible → Ultraviolet → Rayons X → Gamma.
Tous ces domaines appartiennent à la même famille : les ondes électromagnétiques. Ils ne diffèrent que par leur longueur d'onde (et donc leur fréquence et leur énergie).
6Propriétés des ondes électromagnétiques
Toutes les ondes électromagnétiques partagent des propriétés communes :
- Elles se propagent dans le vide à c = 3 × 108 m/s.
- Dans un milieu matériel (verre, eau, air…), leur vitesse est inférieure à c et varie selon le milieu.
- Elles transportent de l'énergie sans transporter de matière.
- Elles peuvent être réfléchies, réfractées, absorbées ou transmises par la matière.
- Elles se propagent en ligne droite dans un milieu homogène.
Absorption et réflexion. Certains matériaux absorbent certaines longueurs d'onde et en réfléchissent d'autres. C'est pourquoi les objets ont des couleurs : une feuille verte absorbe le rouge et le bleu, et réfléchit le vert vers nos yeux.
Astuce. Dans un milieu d'indice de réfraction n, la vitesse de la lumière est v = c/n. Dans le verre (n ≈ 1,5), la lumière va à 2 × 108 m/s environ.
7Applications et dangers
Les différents domaines du spectre électromagnétique ont de nombreuses applications dans la vie quotidienne, la médecine et la technologie :
- Infrarouge : télécommandes TV, détecteurs de présence, thermographie (images thermiques), cuisine (grille-pain, radiateurs infrarouges).
- Ultraviolet : stérilisation de l'eau et du matériel médical, lampes à bronzer, détection de faux billets, synthèse de vitamine D par la peau.
- Micro-ondes : fours à micro-ondes (les ondes font osciller les molécules d'eau, ce qui chauffe), Wi-Fi, Bluetooth, téléphonie mobile.
- Rayons X : radiographie médicale (os, poumons), scanner, contrôle des bagages.
Dangers. Certaines ondes électromagnétiques peuvent être dangereuses selon leur dose :
- L'UV en excès provoque des coups de soleil et augmente le risque de cancer de la peau.
- Les rayons X et gamma sont ionisants : ils peuvent endommager l'ADN et provoquer des cancers à forte dose.
- C'est pourquoi les radiologues portent des tabliers en plomb et s'éloignent de la source lors des radiographies.
Exemple : la télécommande TV. Elle émet des impulsions infrarouge codées. Un récepteur dans la télévision détecte ces signaux lumineux (non visibles à l'œil) et les interprète comme des commandes (volume, chaîne, etc.).
★À retenir
En bref — Ondes électromagnétiques et spectre :
• Une onde EM se propage à c = 3 × 108 m/s dans le vide, sans milieu matériel.
• Relation fondamentale : c = λ × f (longueur d'onde × fréquence).
• La lumière blanche est polychromatique : le prisme la disperse en VBVJOR (violet → rouge).
• Spectre EM (grandes → petites λ) : Radio, Micro-ondes, IR, Visible, UV, Rayons X, Gamma.
• Dans le visible : le violet a la plus petite λ (≈ 400 nm) et le rouge la plus grande (≈ 700 nm).
• UV et rayons X sont ionisants à forte dose : attention aux dangers !