Ondes électromagnétiques

Exercice 1 — Nature et propagation des ondes électromagnétiques
1. Définition et milieux de propagation (2 pts)
Réponse attendue : Une onde électromagnétique est une perturbation associée à des champs électrique et magnétique oscillants qui se propagent dans l'espace. Elle peut se propager dans le vide (sans avoir besoin de support matériel) ainsi que dans des milieux transparents (air, eau, verre…).
Justification : Contrairement aux ondes mécaniques (le son), les ondes électromagnétiques ne nécessitent aucun milieu matériel — c'est pourquoi la lumière du Soleil nous parvient à travers le vide de l'espace.

2. Vitesse dans le vide (1 pt)
Réponse attendue : c = 3 × 10⁸ m/s (soit 300 000 km/s).
Justification : C'est une constante fondamentale de la physique, valable pour toutes les ondes électromagnétiques dans le vide, quelle que soit leur nature (radio, UV, lumière visible…).

3. Relation c = λ × f (1 pt)
Réponse attendue : c = λ × f (où c est la vitesse en m/s, λ la longueur d'onde en m, f la fréquence en Hz).
Justification : Cette relation lie les trois grandeurs caractéristiques d'une onde électromagnétique. Puisque c est constant dans le vide, si λ augmente alors f diminue, et inversement.

Exercice 2 — Le spectre électromagnétique
1. Les 7 domaines dans l'ordre des longueurs d'onde croissantes (3,5 pts)
Réponse attendue (0,5 pt par domaine) :

• Rayons gamma (γ) — λ < 0,01 nm
• Rayons X — de 0,01 nm à 10 nm
• Ultraviolet (UV) — de 10 nm à 380 nm
• Lumière visible — de 380 nm à 780 nm
• Infrarouge (IR) — de 780 nm à 1 mm
• Micro-ondes — de 1 mm à 30 cm
• Ondes radio — de quelques mm à plusieurs km

Justification : Le spectre électromagnétique classe toutes les ondes par longueur d'onde croissante (ou fréquence décroissante). Moyen mnémotechnique : « Grâce aux RX, Un Vrai Informaticien Manipule les Ondes Radios » (Gamma, Rayons X, UV, Visible, IR, Micro-ondes, Ondes radio).

2. Gamme de la lumière visible et couleur à la plus petite longueur d'onde (1,5 pt)
Réponse attendue : La lumière visible s'étend de 380 nm à 780 nm. La couleur correspondant à la plus petite longueur d'onde dans le visible est le violet (≈ 380–430 nm).
Justification : Dans le spectre visible, les longueurs d'onde augmentent du violet au rouge. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence (et donc l'énergie) est élevée.

Exercice 3 — Infrarouge et ultraviolet
1. Détection de l'infrarouge par la peau + exemple d'application (2 pts)
Réponse attendue : Notre peau possède des récepteurs thermiques qui détectent le rayonnement infrarouge sous forme de chaleur. L'IR est absorbé par les tissus et converti en énergie thermique, que nous ressentons comme une sensation de chaud.
Exemple d'application : la télécommande (envoie un signal IR codé vers le récepteur de la TV), la caméra thermique (détecte les différences de température), ou les panneaux chauffants IR.
Justification : Tout corps dont la température dépasse 0 K émet un rayonnement infrarouge. C'est pourquoi les êtres vivants émettent en permanence de l'IR (exploité par les caméras de surveillance nocturne).

2. Effets biologiques des UV-B et protection naturelle (2 pts)
Réponse attendue :

• Les UV-B peuvent provoquer des coups de soleil, endommager l'ADN des cellules cutanées et augmenter le risque de cancer de la peau sur le long terme.
• L'élément naturel qui nous protège est la couche d'ozone (O₃) dans la stratosphère, qui absorbe la majorité des UV-B et la quasi-totalité des UV-C.

Justification : Les UV-B ont une longueur d'onde de 280 à 315 nm. Leur énergie est suffisante pour casser les liaisons de l'ADN, provoquant des mutations cellulaires. La couche d'ozone joue un rôle de filtre indispensable à la vie.

3. Efficacité des UV pour la désinfection (1 pt)
Réponse attendue : Les UV (notamment les UV-C) ont une énergie suffisante pour détruire l'ADN des bactéries, virus et micro-organismes, les empêchant de se reproduire. Ils sont donc efficaces pour stériliser l'air, l'eau ou des surfaces.
Justification : Les UV-C (100–280 nm) sont les plus énergétiques du spectre UV. Ils sont absorbés par les acides nucléiques (ADN/ARN) des micro-organismes et causent des mutations létales.

Exercice 4 — Calcul : propagation de la lumière
1. Durée de propagation lumière Terre–Mars (2 pts)
Données : d = 7,8 × 10¹⁰ m ; c = 3 × 10⁸ m/s
Formule : d = c × t ⟹ t = d / c
Calcul :
t = (7,8 × 10¹⁰) / (3 × 10⁸)
t = (7,8 / 3) × 10^{10 − 8}
t = 2,6 × 10² s
Résultat : t = 260 s ≈ 4 min 20 s
Justification : On utilise la relation fondamentale d = c × t, valable pour toutes les ondes électromagnétiques dans le vide. On divise la distance par la vitesse de la lumière pour obtenir la durée de propagation. Cela signifie qu'un signal envoyé de la Terre prend plus de 4 minutes avant d'atteindre Mars.

2. Fréquence d'un signal à 450 nm et domaine du spectre (2 pts)
Données : λ = 4,5 × 10⁻⁷ m ; c = 3 × 10⁸ m/s
Formule : c = λ × f ⟹ f = c / λ
Calcul :
f = (3 × 10⁸) / (4,5 × 10⁻⁷)
f = (3 / 4,5) × 10^{8 − (−7)}
f = 0,667 × 10¹⁵
f ≈ 6,67 × 10¹⁴ Hz
Domaine : 450 nm est compris entre 380 nm et 780 nm → lumière visible (couleur bleue/bleu-violet).
Justification : On applique la relation c = λ × f. La longueur d'onde de 450 nm correspond à la couleur bleue du spectre visible (380–490 nm pour le bleu). La fréquence est de l'ordre de 6,67 × 10¹⁴ Hz, caractéristique de la lumière visible.

Exercice 5 — Applications et dangers
Rayonnement ionisant vs non ionisant (2 pts)
Réponse attendue :
Un rayonnement ionisant possède une énergie suffisante pour arracher des électrons aux atomes, créant des ions. Ces rayonnements sont potentiellement dangereux pour les cellules vivantes car ils peuvent endommager l'ADN et provoquer des mutations.

• Exemples de rayonnements ionisants : rayons X, rayons gamma (γ), UV-C

Un rayonnement non ionisant n'a pas assez d'énergie pour ioniser la matière ; il peut néanmoins avoir des effets thermiques (échauffement) à forte intensité.

• Exemples de rayonnements non ionisants : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, UV-A

Justification : L'énergie d'un photon est proportionnelle à sa fréquence (E = h × f). Plus la fréquence est élevée (longueur d'onde courte), plus l'énergie est grande. Les rayonnements de haute fréquence (X, γ, UV-C) ont donc assez d'énergie pour ioniser la matière, contrairement aux ondes radio ou à l'infrarouge dont les photons sont peu énergétiques.