À propos de cette page
Ce cours de physique en troisième sur « Ondes mécaniques et son » 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 mécanique ?, Ondes transversales et ondes longitudinales, Période et fréquence d'une onde, Célérité d'une onde. 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 mécanique ?
2 · Ondes transversales et ondes longitudinales
3 · Période et fréquence d'une onde
4 · Célérité d'une onde
5 · Longueur d'onde
6 · Le son : nature et propagation
7 · Hauteur et timbre d'un son
1Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?
Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel (solide, liquide ou gaz) en transportant de l'énergie sans transporter de matière.
Définition. Une onde mécanique est la propagation d'une perturbation dans un milieu élastique. Elle nécessite un milieu matériel et ne peut donc pas se propager dans le vide.
Exemples d'ondes mécaniques :
- Les vagues à la surface de l'eau.
- Le son dans l'air, l'eau ou un solide.
- Les ondes sismiques dans la Terre.
- Les ondulations d'une corde vibrante.
Exemple. Quand on jette un caillou dans un lac, des rides circulaires se forment et s'éloignent du point d'impact : l'eau ne se déplace pas vers le bord, mais la perturbation (l'onde) se propage.
Attention ! Ne pas confondre propagation de l'onde et déplacement de la matière. Une bouée posée sur l'eau monte et descend sur place ; elle n'avance pas avec les vagues.
2Ondes transversales et ondes longitudinales
On distingue deux types d'ondes mécaniques selon la direction de la perturbation par rapport à la direction de propagation.
| Type d'onde | Direction de la perturbation | Exemples |
|---|
| Transversale | Perpendiculaire à la propagation | Vagues, corde vibrante, ondes S sismiques |
| Longitudinale | Parallèle à la propagation | Son dans l'air, ondes P sismiques, ressort comprimé |
Exemple — corde. Si on secoue verticalement une extrémité d'une corde, la perturbation se déplace horizontalement le long de la corde, mais chaque point de la corde monte et descend : c'est une onde transversale.
Exemple — son. Le son est une onde longitudinale : les molécules d'air se compriment et se dilatent dans le même sens que la propagation du son.
Astuce. Pour retenir : Trans-ver-sal → la perturbation est en « travers » de la direction de propagation.
3Période et fréquence d'une onde
Lorsqu'une source vibre de manière périodique, elle émet une onde périodique caractérisée par sa période et sa fréquence.
Définition — Période T. La période T est la durée d'une oscillation complète de la source. Elle s'exprime en secondes (s).
Définition — Fréquence f. La fréquence f est le nombre d'oscillations effectuées par la source en une seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).
La période et la fréquence sont inverses l'une de l'autre :
f = 1 / T et T = 1 / f
Exemple. Un diapason vibre à la fréquence f = 440 Hz (note La). Sa période est T = 1 / 440 ≈ 2,27 × 10−3 s = 2,27 ms.
Attention aux unités ! 1 kHz = 1 000 Hz ; 1 MHz = 106 Hz. Toujours convertir avant de calculer.
4Célérité d'une onde
La célérité (ou vitesse de propagation) d'une onde est la vitesse à laquelle la perturbation se déplace dans le milieu. Elle dépend des propriétés du milieu (nature, température, pression…) et non de la fréquence de la source.
Définition — Célérité v. La célérité v est la distance parcourue par l'onde par unité de temps : v = d / t (en m/s, avec d en m et t en s).
| Milieu | Célérité du son (approx.) |
|---|
| Air (20 °C) | ≈ 340 m/s |
| Eau (20 °C) | ≈ 1 480 m/s |
| Acier | ≈ 5 900 m/s |
Exemple. Un éclair est vu 3 s avant d'entendre le tonnerre correspondant. La distance d est : d = v × t = 340 × 3 = 1 020 m ≈ 1 km.
Astuce. La règle des 3 secondes pour les orages : chaque seconde d'écart entre l'éclair et le tonnerre correspond à environ 340 m (≈ 1/3 de km).
Attention ! La lumière (onde électromagnétique) se propage à 3 × 108 m/s : on voit l'éclair pratiquement instantanément, quelle que soit la distance.
5Longueur d'onde
La longueur d'onde λ (lambda, lettre grecque) est la distance entre deux points consécutifs de l'onde dans le même état de vibration (deux crêtes ou deux creux successifs). C'est aussi la distance parcourue par l'onde pendant une période T.
Relation fondamentale des ondes :
λ = v × T ou λ = v / f
avec λ en m, v en m/s, T en s, f en Hz.
Exemple 1. Un haut-parleur émet une note de fréquence f = 170 Hz dans l'air (v = 340 m/s).
λ = v / f = 340 / 170 = 2 m.
Exemple 2. Les ultrasons médicaux ont une fréquence de 3 MHz = 3 × 106 Hz dans les tissus (v ≈ 1 500 m/s).
λ = 1 500 / (3 × 106) = 5 × 10−4 m = 0,5 mm. Cette petite longueur d'onde permet d'imager de fins détails anatomiques.
Attention ! Quand l'onde passe d'un milieu à un autre, sa fréquence reste constante mais sa célérité et donc sa longueur d'onde changent.
6Le son : nature et propagation
Le son est une onde mécanique longitudinale et périodique produite par la vibration d'un objet (corde, membrane, colonne d'air…). Il se propage dans tous les milieux matériels mais pas dans le vide.
Domaines de fréquences sonores :- Infrasons : f < 20 Hz (non perçus par l'oreille humaine ; ressentis par certains animaux comme les éléphants)
- Sons audibles : 20 Hz ≤ f ≤ 20 000 Hz (perçus par l'oreille humaine)
- Ultrasons : f > 20 000 Hz (chauves-souris, échographie médicale, contrôle industriel)
Exemple. Le sifflet à ultrasons pour chien émet à f > 20 kHz : inaudible pour l'humain, mais parfaitement entendu par le chien.
La vitesse du son dépend du milieu et augmente généralement dans l'ordre gaz → liquide → solide. Dans l'air, elle augmente légèrement avec la température (+0,6 m/s par °C environ).
Astuce mémo. Le son va plus vite dans l'eau que dans l'air car les molécules y sont plus proches et les interactions plus fortes.
7Hauteur et timbre d'un son
Deux caractéristiques permettent de décrire la qualité d'un son musical (en plus de l'intensité sonore) :
Hauteur. La hauteur d'un son est liée à sa
fréquence :
- Son grave → fréquence basse (ex. : basse guitare, 80 Hz)
- Son aigu → fréquence élevée (ex. : sifflet, 4 000 Hz)
Timbre. Le timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons de même hauteur et de même intensité émis par des instruments différents. Il est lié à la forme du signal (présence et proportion des harmoniques).
Exemple. Un piano et une flûte jouent tous les deux la note La à 440 Hz avec la même intensité : on les distingue grâce à leur timbre différent.
Bilan. Un son musical est caractérisé par :
• sa hauteur (fréquence f, en Hz)
• son timbre (forme du signal)
• son intensité ou niveau sonore (en dB)
★À retenir
En bref :
• Une onde mécanique transporte de l'énergie sans transporter de matière, dans un milieu matériel.
• Onde transversale : perturbation ⊥ propagation (corde, vague) ; onde longitudinale : perturbation ∥ propagation (son).
• Période T (s) : durée d'une oscillation. Fréquence f (Hz) = 1/T.
• Célérité v (m/s) : vitesse de propagation. Son dans l'air ≈ 340 m/s.
• Longueur d'onde λ = v × T = v / f (m).
• Sons audibles : 20 Hz – 20 000 Hz. Infrasons < 20 Hz. Ultrasons > 20 kHz.
• Hauteur ↔ fréquence ; timbre ↔ forme du signal.