Collège · 3ᵉ · Physique
Ondes électromagnétiques et spectre
Spectre de la lumière blanche, dispersion, domaines du spectre EM
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 : La lumière, une onde qui se propage dans le vide, La lumière blanche et la dispersion, Le spectre visible : couleur et longueur d'onde, Le spectre électromagnétique : des ondes radio aux rayons gamma. 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.
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La lumière, une onde qui se propage dans le vide
La lumière du Soleil nous parvient à travers 150 millions de kilomètres d'espace vide. Contrairement au son, elle n'a pas besoin de matière pour se propager : c'est une onde électromagnétique.
Définition. Une onde électromagnétique est une vibration électrique et magnétique qui se propage dans le vide comme dans la matière, en ligne droite dans un milieu homogène. Dans le vide (et presque autant dans l'air), sa vitesse est c = 300 000 km/s = 3,00 × 10⁸ m/s. Elle transporte de l'énergie, pas de matière.
| Milieu | Vitesse de la lumière |
|---|---|
| vide, air | 300 000 km/s |
| eau | ≈ 225 000 km/s |
| verre | ≈ 200 000 km/s |
Exemple : des distances en durées. d = c × t. Terre–Lune : 1,28 s. Soleil–Terre : 8 min 20 s. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an : 3,00 × 10⁵ × 3,156 × 10⁷ ≈ 9,46 × 10¹² km. Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche, est à 4,2 années-lumière : sa lumière reçue ce soir est partie il y a 4,2 ans.
Attention ! Le son : onde mécanique, 340 m/s, rien dans le vide. La lumière : onde électromagnétique, 300 000 km/s, se propage dans le vide. Un million de fois plus rapide.
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La lumière blanche et la dispersion
Expérience de Newton (1666). Un faisceau de lumière blanche traversant un prisme s'étale sur l'écran en une bande colorée continue, du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié) : c'est le spectre de la lumière blanche. Ce phénomène est la dispersion. Un second prisme inversé recompose la lumière blanche.
La lumière blanche est donc un mélange de toutes les couleurs : elle est polychromatique. Un laser, qui n'émet qu'une seule couleur, est monochromatique : il traverse le prisme en restant un point de la même couleur, seulement dévié.
L'arc-en-ciel. Chaque goutte de pluie joue le rôle d'un prisme : la lumière du Soleil, dans le dos de l'observateur, y est dispersée puis réfléchie. Le rouge apparaît à l'extérieur de l'arc, le violet à l'intérieur.
Pourquoi le violet est-il plus dévié ? Dans le verre, la lumière violette se propage un peu plus lentement que la rouge : elle est davantage réfractée à chaque face du prisme.
Attention ! Un filtre coloré ne colore pas la lumière : il absorbe toutes les couleurs sauf la sienne. Un filtre rouge placé devant la lumière blanche ne laisse passer que le rouge.
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Le spectre visible : couleur et longueur d'onde
Ce qui distingue une couleur d'une autre est sa longueur d'onde λ (lambda), exprimée en nanomètres : 1 nm = 10⁻⁹ m = un milliardième de mètre.
| Couleur | Longueur d'onde (nm) |
|---|---|
| violet | 400 – 450 |
| bleu | 450 – 500 |
| vert | 500 – 570 |
| jaune | 570 – 590 |
| orange | 590 – 620 |
| rouge | 620 – 800 |
De 400 nm (violet) à 800 nm (rouge) : l'œil humain ne voit que cette étroite bande.
Au-delà du visible. En dessous de 400 nm : l'ultraviolet (UV). Au-dessus de 800 nm : l'infrarouge (IR). Nos yeux ne les voient pas, mais notre peau les ressent : chaleur de l'IR, coup de soleil des UV.
Exemple. Un laser vert de 532 nm ; le jaune des lampes au sodium à 589 nm ; une télécommande à 940 nm (IR, invisible, mais visible par la caméra d'un téléphone).
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Le spectre électromagnétique : des ondes radio aux rayons gamma
La lumière visible n'est qu'une petite partie d'une grande famille d'ondes, toutes de même nature et de même vitesse dans le vide, classées par longueur d'onde.
| Domaine | Longueur d'onde | Exemples d'utilisation |
|---|---|---|
| ondes radio | plus de 1 m | radio FM (≈ 3 m), télévision, avions |
| micro-ondes | 1 mm à 1 m | four (12,2 cm), Wi-Fi (12,5 cm), téléphone, radar, GPS |
| infrarouge | 800 nm à 1 mm | télécommande, caméra thermique, chauffage |
| visible | 400 à 800 nm | vision, photographie, fibre optique |
| ultraviolet | 10 à 400 nm | bronzage, stérilisation, détection des faux billets |
| rayons X | 0,01 à 10 nm | radiographie, scanner, contrôle des bagages |
| rayons gamma | moins de 0,01 nm | radiothérapie, astronomie |
Astuce mémo. « Radio, Micro, Infra, Visible, Ultra, X, Gamma » : la longueur d'onde diminue, la fréquence et l'énergie augmentent.
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Fréquence, longueur d'onde et énergie
Formule (dans le vide). c = λ × f, donc λ = c / f et f = c / λ, avec c = 3,00 × 10⁸ m/s, λ en m et f en Hz. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée et plus l'onde transporte d'énergie.
| Onde | Fréquence | Longueur d'onde |
|---|---|---|
| radio FM | 100 MHz = 10⁸ Hz | 3 m |
| Wi-Fi, four | 2,4 GHz = 2,4 × 10⁹ Hz | 12,5 cm |
| lumière verte | 5,7 × 10¹⁴ Hz | 530 nm |
| rayons X | 3 × 10¹⁸ Hz | 0,1 nm |
Exemple. Une station FM émet à 105,3 MHz : λ = 3,00 × 10⁸ / 1,053 × 10⁸ ≈ 2,85 m. Un laser rouge de 650 nm : f = 3,00 × 10⁸ / 6,5 × 10⁻⁷ ≈ 4,6 × 10¹⁴ Hz.
Attention ! Quand la lumière passe de l'air dans l'eau ou le verre, sa vitesse diminue et sa longueur d'onde aussi ; sa fréquence, fixée par la source, ne change pas. Et convertir avant de calculer : 12,5 cm = 0,125 m ; 650 nm = 6,5 × 10⁻⁷ m.
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Applications et dangers
| Domaine | Utilité | Risque et protection |
|---|---|---|
| radio, micro-ondes | communication sans fil, cuisson, radar | échauffement à forte puissance ; le four est blindé |
| infrarouge | chauffage, vision nocturne, thermographie | brûlure par la chaleur uniquement |
| ultraviolet | synthèse de la vitamine D, désinfection | coup de soleil, vieillissement de la peau, cancers ; crème solaire, lunettes, ombre ; la couche d'ozone filtre les UV les plus durs |
| rayons X, gamma | imagerie médicale, traitement des tumeurs | ionisants : ils cassent les molécules du vivant ; doses limitées, tablier de plomb, distance |
Rayonnements ionisants. Les UV lointains, les rayons X et gamma ont assez d'énergie pour arracher des électrons aux atomes et endommager l'ADN. Les ondes radio, micro-ondes et infrarouges n'en ont pas : elles ne peuvent au plus que chauffer.
Repères. Une radiographie du thorax délivre environ 0,02 mSv ; la radioactivité naturelle en France, 2,4 mSv par an : une radio équivaut à 3 jours d'exposition naturelle. L'index UV va de 1 (faible) à 11+ (extrême) : à Marseille en juillet, il atteint 9 à midi.
En bref
- La lumière est une onde électromagnétique : elle se propage dans le vide à c = 300 000 km/s, en ligne droite. Distance = c × t ; 1 année-lumière ≈ 9,46 × 10¹² km.
- La lumière blanche est polychromatique : un prisme la disperse en un spectre du rouge (moins dévié) au violet (plus dévié).
- Couleur ↔ longueur d'onde : 400 nm (violet) à 800 nm (rouge) ; UV en dessous, IR au-dessus.
- Spectre : radio → micro-ondes → IR → visible → UV → X → gamma, λ décroissante, fréquence et énergie croissantes.
- c = λ × f. Les rayonnements de haute fréquence (UV, X, gamma) sont ionisants, donc dangereux.
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