Chapitre 10 – Ondes et information

Chapitre 10 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

⏱ Durée de lecture estimée : ~20 min

Illustration : Un signal lumineux traverse une fibre courbe entre un émetteur et un récepteur. — Observer le transport d’un signal lumineux par une fibre optique.

Objectifs du chapitre :

Distinguer une onde mécanique d'une onde électromagnétique et citer leurs milieux de propagation.
Associer la propagation d'une onde à un transfert d'énergie sans déplacement de matière.
Distinguer une onde longitudinale d'une onde transversale.
Définir période, fréquence et longueur d'onde d'une onde périodique sinusoïdale.
Citer et exploiter la relation \(\lambda = c\,T = \dfrac{c}{f}\).
Comprendre le transport de l'information par une onde modulée entre émetteur et récepteur.
Distinguer transmission, réflexion et absorption d'une onde.
Caractériser une onde sonore : célérité selon le milieu, hauteur, intensité et puissance acoustiques.
Ordonner les domaines des ondes électromagnétiques ; connaître la célérité de la lumière dans le vide et les risques des sources lumineuses.

Situation. Vous parlez au téléphone, vous écoutez la radio, un médecin réalise une échographie, un chantier utilise un télémètre laser : dans tous ces cas, une onde transporte de l'information ou de l'énergie d'un point à un autre. Le son se propage dans l'air, la lumière et les ondes radio traversent le vide, les ultrasons « sondent » les tissus. Comment décrire ces phénomènes si différents avec un même vocabulaire ? Ce chapitre construit les outils communs — période, fréquence, longueur d'onde, célérité — pour comprendre comment une onde se propage, se caractérise et sert à communiquer.

1. Qu'est-ce qu'une onde ?

Définition — onde et propagation Une onde est la propagation d'une perturbation (une variation d'une grandeur physique) dans l'espace, de proche en proche, au cours du temps. Lorsqu'on jette un caillou dans l'eau, la surface se déforme et cette déformation s'éloigne du point d'impact : c'est une onde.

Propriété fondamentale — transfert d'énergie sans matière La propagation d'une onde correspond à un transfert d'énergie sans déplacement de matière. Un bouchon posé sur l'eau monte et descend sur place quand la vague passe : il n'est pas emporté vers le bord. La matière oscille autour de sa position d'équilibre, mais c'est la perturbation (et l'énergie qu'elle transporte) qui avance.

Définition — deux grandes familles d'ondes

Les ondes mécaniques ont besoin d'un milieu matériel pour se propager (air, eau, solide). Exemples : le son, les ultrasons, les vagues, les ondes sismiques. Dans le vide, une onde mécanique ne peut pas exister (le son ne se propage pas dans l'espace).
Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de milieu matériel : elles se propagent même dans le vide. Exemples : la lumière, les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X. C'est pourquoi la lumière du Soleil nous parvient à travers le vide spatial.

Mini-exercice 1. Classer ces ondes en « mécanique » ou « électromagnétique » : (a) le son d'une guitare ; (b) la lumière d'une lampe ; (c) une onde sismique ; (d) le signal Wi-Fi.

(a) mécanique (a besoin de l'air) ; (b) électromagnétique ; (c) mécanique (se propage dans le sol) ; (d) électromagnétique (ondes radio). Seules les ondes électromagnétiques peuvent traverser le vide.

2. Ondes longitudinales et transversales

Définition — sens de vibration On distingue les ondes selon la direction dans laquelle la matière (ou la grandeur) vibre, comparée à la direction de propagation :

Onde transversale : la vibration est perpendiculaire à la direction de propagation. Exemple : une corde qu'on secoue de haut en bas, les vagues à la surface de l'eau, la lumière.
Onde longitudinale : la vibration est parallèle à la direction de propagation (compressions et dilatations successives). Exemple : le son dans l'air, un ressort qu'on comprime puis relâche.

Mini-exercice 2. Le son dans l'air est une succession de compressions et de dilatations de l'air qui avancent dans la même direction que la propagation. L'onde sonore est-elle longitudinale ou transversale ?

La vibration (compression/dilatation de l'air) est parallèle à la direction de propagation : l'onde sonore est longitudinale.

3. Ondes périodiques sinusoïdales

Définition — onde périodique Une onde est périodique lorsque la perturbation se répète identique à elle-même à intervalles de temps réguliers. Le cas le plus important est l'onde sinusoïdale, dont la forme est celle d'une sinusoïde (courbe de la fonction sinus). On la caractérise par trois grandeurs liées.

Définition — période et fréquence La période \(T\) est la durée d'un motif complet (une oscillation), en secondes (s). La fréquence \(f\) est le nombre d'oscillations par seconde, en hertz (Hz). Elles sont inverses l'une de l'autre :

\(f=\dfrac{1}{T}\qquad T=\dfrac{1}{f}\qquad(f\ \text{en Hz},\ T\ \text{en s})\)

Définition — longueur d'onde La longueur d'onde \(\lambda\) (lettre grecque « lambda ») est la distance parcourue par l'onde pendant une période \(T\), autrement dit la longueur d'un motif dans l'espace. Elle s'exprime en mètres (m). C'est la « période dans l'espace », alors que \(T\) est la période dans le temps.

Relation fondamentale — longueur d'onde, célérité, fréquence Pendant une période \(T\), l'onde parcourt la distance \(\lambda\) à la vitesse (appelée célérité) \(c\). Comme distance = vitesse × durée :

\(\boxed{\;\lambda = c\,T = \dfrac{c}{f}\;}\)

avec \(\lambda\) en mètres (m), \(c\) en mètres par seconde (m·s\(^{-1}\)), \(T\) en secondes (s) et \(f\) en hertz (Hz). On en déduit aussi \(c=\lambda f\) et \(f=\dfrac{c}{\lambda}\).

Fais varier la longueur d'onde \(\lambda\) et la fréquence \(f\) et observe l'onde se propager vers la droite. La distance entre deux crêtes est \(\lambda\) ; le tableau affiche la période \(T=1/f\) et la célérité \(c=\lambda\,f\).

Longueur d'onde λ :

Fréquence f :

Ne pas confondre vitesse et fréquence La célérité \(c\) ne dépend que du milieu (l'air, l'eau, le vide…), pas de la fréquence. Quand la fréquence \(f\) augmente, la longueur d'onde \(\lambda\) diminue (elles sont inversement proportionnelles à célérité fixée), mais l'onde ne va pas « plus vite ».

Exemple travaillé — longueur d'onde d'une note. Un diapason émet un son de fréquence \(f=440\) Hz dans l'air, où la célérité du son vaut \(c=340\ \text{m·s}^{-1}\).

\(\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{340}{440}\approx0{,}77\ \text{m}\)

La longueur d'onde de ce son vaut environ \(77\) cm.

Mini-exercice 3. Une station de radio FM émet à la fréquence \(f=100\ \text{MHz}=100\times10^{6}\) Hz. L'onde est électromagnétique et se propage à \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\). Calculer sa longueur d'onde \(\lambda\).

\(\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{100\times10^{6}}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{1{,}0\times10^{8}}=3{,}0\ \text{m}\).

4. Onde et transport de l'information

Définition — onde porteuse d'information Une onde est une perturbation qui se propage : ses caractéristiques (amplitude, fréquence…) peuvent être modifiées volontairement pour transporter de l'information. La transmission se fait entre un émetteur (qui produit l'onde) et un récepteur (qui la capte et la décode), selon un code convenu.

Définition — modulation Pour transporter un signal (voix, musique, données), on part d'une onde régulière appelée porteuse et on fait varier une de ses grandeurs au rythme du signal : c'est la modulation. On peut faire varier l'amplitude (modulation d'amplitude, AM) ou la fréquence (modulation de fréquence, FM). Le récepteur effectue l'opération inverse (démodulation) pour retrouver l'information.

Définition — transmission, réflexion, absorption Quand une onde rencontre un obstacle ou change de milieu, trois phénomènes peuvent se produire, souvent simultanément :

Transmission : l'onde traverse le milieu et continue de se propager (la lumière traverse une vitre).
Réflexion : l'onde rebondit sur la surface et repart (l'écho d'un son sur une falaise, l'image dans un miroir).
Absorption : l'onde cède son énergie au milieu, qui la « mange » : elle s'affaiblit (un mur épais atténue le son ; un mur en béton bloque le Wi-Fi).

Mini-exercice 4. Pour chaque situation, indiquer le phénomène principal (transmission, réflexion ou absorption) : (a) l'écho de sa voix dans un tunnel ; (b) la lumière du jour qui passe par une fenêtre ; (c) le Wi-Fi qui « ne passe pas » à travers un mur porteur.

(a) réflexion (le son rebondit et revient) ; (b) transmission (la lumière traverse le verre) ; (c) absorption (le mur absorbe et atténue l'onde radio).

5. Les ondes sonores

Définition — onde sonore Le son est une onde mécanique longitudinale : une vibration de l'air (compressions et dilatations) qui se propage. Un milieu matériel est indispensable : le son ne se propage pas dans le vide. Au-delà de \(20\ 000\) Hz, on parle d'ultrasons (inaudibles pour l'humain, utilisés en échographie ou pour mesurer des distances).

Célérité du son selon le milieu La célérité du son dépend du milieu et augmente quand le milieu est plus « rigide » (solide > liquide > gaz) :

Milieu	Célérité du son (ordre de grandeur)
Air	≈ 340 m·s\(^{-1}\)
Eau	≈ 1500 m·s\(^{-1}\)
Acier (métal)	≈ 5000 m·s\(^{-1}\)

À retenir : dans l'air, \(c_{son}\approx340\ \text{m·s}^{-1}\) — soit près d'un million de fois moins que la lumière.

Définition — hauteur et intensité d'un son Deux grandeurs déterminent la perception d'un son :

La hauteur : un son est plus aigu quand sa fréquence est grande, plus grave quand sa fréquence est petite. La hauteur est associée à la fréquence.
L'intensité sonore (le « volume ») : un son est plus fort quand son amplitude est grande. Elle est associée à l'amplitude.

L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz).

Définition — intensité et puissance acoustiques La puissance acoustique \(P\) est l'énergie sonore émise par seconde par une source (en watts, W). L'intensité acoustique \(I\) est la puissance reçue par unité de surface (en W·m\(^{-2}\)). Si une source rayonne une puissance \(P\) sur une surface \(S\) :

\(I=\dfrac{P}{S}\qquad(I\ \text{en W·m}^{-2},\ P\ \text{en W},\ S\ \text{en m}^2)\)

Plus on s'éloigne de la source, plus la surface traversée est grande, donc plus l'intensité \(I\) reçue diminue.

Exemple travaillé — mesurer une distance par écho. Un sonar émet un son bref dans l'eau (\(c=1500\ \text{m·s}^{-1}\)). L'écho, réfléchi par le fond, revient après \(\Delta t=0{,}40\) s. Quelle est la profondeur \(d\) ?
Le son fait l'aller-retour, donc parcourt \(2d\) : \(2d=c\times\Delta t=1500\times0{,}40=600\) m.

\(d=\dfrac{c\,\Delta t}{2}=\dfrac{600}{2}=300\ \text{m}\)

Ce principe (mesurer un temps de trajet aller-retour) est celui de l'échographie, du sonar et du radar.

Mini-exercice 5. On voit l'éclair d'un orage, puis on entend le tonnerre \(6{,}0\) s plus tard. En prenant \(c_{son}=340\ \text{m·s}^{-1}\) et en négligeant le temps de trajet de la lumière, à quelle distance environ est tombée la foudre ?

La distance vaut \(d=c_{son}\times\Delta t=340\times6{,}0=2040\ \text{m}\approx2{,}0\ \text{km}\). (Règle pratique : environ 1 km toutes les 3 s.)

6. Les ondes électromagnétiques

Définition — ondes électromagnétiques et spectre Les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide (et dans certains milieux transparents) sans support matériel. Elles forment un spectre continu, classé selon la fréquence (ou la longueur d'onde), des ondes radio (grande \(\lambda\), petite \(f\)) aux rayons gamma (petite \(\lambda\), grande \(f\)). La lumière visible n'en occupe qu'une toute petite partie.

Célérité de la lumière dans le vide Toutes les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à la même célérité, la vitesse de la lumière :

\(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\ \ (\text{soit } 300\ 000\ \text{km·s}^{-1})\)

La relation \(\lambda=\dfrac{c}{f}\) s'y applique. La lumière visible correspond aux longueurs d'onde d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge), soit \(4\times10^{-7}\) m à \(8\times10^{-7}\) m.

Sources lumineuses et leurs caractéristiques Chaque source émet une lumière particulière :

Soleil, corps chauffés (filament, braise) : lumière continue, contenant toutes les couleurs (spectre continu).
Lampes spectrales (vapeur de sodium, néon) : quelques couleurs précises seulement (spectre de raies).
DEL (LED) : lumière d'une couleur assez pure, faible consommation.
Laser : lumière d'une seule couleur (une seule \(\lambda\)), très directive (faisceau fin) et concentrée en puissance.

Risques des sources lumineuses

❌ Regarder un laser en face → ✅ danger pour la rétine (faisceau concentré) : ne jamais viser les yeux, même avec un laser de faible puissance.
❌ S'exposer sans protection aux UV (soleil, lampes UV) → ✅ risque de brûlures (coups de soleil) et de cancers de la peau ; porter lunettes et crème solaire.
❌ Croire que les rayons X sont anodins → ✅ ce sont des rayonnements ionisants ; leur usage médical est encadré et limité.

Mini-exercice 6. Une lumière rouge a une longueur d'onde \(\lambda=650\ \text{nm}=650\times10^{-9}\) m dans le vide. Calculer sa fréquence \(f\) (on prend \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\)).

\(f=\dfrac{c}{\lambda}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{650\times10^{-9}}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{6{,}5\times10^{-7}}\approx4{,}6\times10^{14}\ \text{Hz}\).

Erreurs fréquentes

❌ Croire que le son se propage dans le vide → ✅ le son est mécanique : il lui faut un milieu matériel ; seules les ondes électromagnétiques traversent le vide.
❌ Confondre onde longitudinale et transversale → ✅ longitudinale = vibration parallèle à la propagation (son) ; transversale = perpendiculaire (corde, lumière).
❌ Écrire \(\lambda=c\times f\) → ✅ la bonne relation est \(\lambda=\dfrac{c}{f}=c\,T\).
❌ Penser que \(c\) change avec la fréquence → ✅ la célérité ne dépend que du milieu ; c'est \(\lambda\) qui varie quand \(f\) varie.
❌ Confondre hauteur et volume d'un son → ✅ hauteur ↔ fréquence (grave/aigu) ; intensité ↔ amplitude (fort/faible).
❌ Oublier le facteur 2 dans un écho → ✅ un signal réfléchi parcourt un aller-retour \(2d\), donc \(d=\dfrac{c\,\Delta t}{2}\).

À retenir

Une onde = propagation d'une perturbation = transfert d'énergie sans déplacement de matière.
Mécanique (son, séisme) : besoin d'un milieu matériel ; électromagnétique (lumière, radio) : se propage dans le vide.
Longitudinale = vibration parallèle à la propagation (son) ; transversale = perpendiculaire (corde, lumière).
Onde périodique : période \(T\) (s), fréquence \(f=\dfrac{1}{T}\) (Hz), longueur d'onde \(\lambda\) (m). Relation clé : \(\lambda=c\,T=\dfrac{c}{f}\).
Transport de l'information : onde modulée entre émetteur et récepteur ; sur un obstacle : transmission, réflexion, absorption.
Son : longitudinal, \(c_{air}\approx340\ \text{m·s}^{-1}\) (plus grand dans l'eau ≈ 1500, l'acier ≈ 5000) ; hauteur ↔ fréquence, intensité ↔ amplitude ; oreille : 20 Hz à 20 kHz ; \(I=\dfrac{P}{S}\).
Ondes électromagnétiques : célérité dans le vide \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\) ; du radio au gamma ; visible ≈ 400–800 nm ; laser et UV présentent des risques.