Ondes électromagnétiques | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Capacités du chapitre (codes du cours) :
C1 — Situer une radiation dans le spectre électromagnétique
C2 — Relier fréquence, longueur d'onde et célérité dans le vide
C3 — Associer sources, détecteurs et usages des ondes
C4 — Observer et interpréter un spectre lumineux (pour aller plus loin, hors programme du groupement 3)
Pour aller plus loin, hors programme du groupement 3 : les spectres continus et de raies (C4), et la répartition d'un rayonnement entre transmission, absorption et réflexion, \(\tau + \alpha + \rho = 1\).
C1 — Situer une radiation dans le spectre électromagnétique
Rappel de cours
Une onde électromagnétique se propage dans le vide. Elle transporte de l'énergie et peut transmettre de l'information. Les domaines du spectre, par longueurs d'onde croissantes (donc fréquences décroissantes) :
Rayons γ | Rayons X | UV | Visible | IR | Micro-ondes | Radio
À connaître : le visible va d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). Les limites des autres domaines sont données dans les énoncés.
Exercice 1
Classer les rayonnements suivants dans l'ordre des longueurs d'onde croissantes :
Longueurs d'onde croissantes (fréquences décroissantes) : Rayons X < UV < Visible < IR < Micro-ondes
Exercice 2
a) Donner les limites du domaine visible, en nm, et la couleur perçue à chaque limite.
b) Parmi les radiations de longueurs d'onde 350 nm, 450 nm, 750 nm et 900 nm, lesquelles sont visibles ? Justifier.
a) Le visible va d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).
b) 450 nm et 750 nm sont compris entre 400 nm et 800 nm : elles sont visibles. 350 nm est en dessous de 400 nm : c'est de l'ultraviolet. 900 nm est au-delà de 800 nm : c'est de l'infrarouge. Ces deux radiations ne sont pas visibles.
Exercice 3
Indiquer à quel domaine du spectre électromagnétique appartient chaque rayonnement et donner l'intervalle de longueurs d'onde de ce domaine :
Lumière rouge d'une diode de détecteur
Rayonnement d'une lampe de séchage UV en finition bois
Rayonnement d'un panneau chauffant infrarouge
Données : rayons X de 0,01 nm à 10 nm ; UV de 10 nm à 400 nm ; IR de 800 nm à 1 mm ; micro-ondes de 1 mm à 30 cm ; ondes radio au-delà de 30 cm. 1 µm = 1 000 nm ; 1 mm = 106 nm.
Visible, rouge : \(\lambda \approx 620\) à \(800\) nm
Ultraviolet (UV) : \(\lambda\) de 10 à 400 nm
Infrarouge (IR) : \(\lambda\) de 800 nm à 1 mm
Exercice 4
Données : rayons X de 0,01 nm à 10 nm ; UV de 10 nm à 400 nm ; IR de 800 nm à 1 mm ; micro-ondes de 1 mm à 30 cm ; ondes radio au-delà de 30 cm. 1 µm = 1 000 nm ; 1 mm = 106 nm.
Radiation
A
B
C
D
E
Longueur d'onde
5 nm
250 nm
10 µm
12 cm
3 m
a) Nommer le domaine de chaque radiation.
b) Ranger les radiations de la plus grande fréquence à la plus petite. Justifier.
a) A : 5 nm, entre 0,01 et 10 nm → rayons X. B : 250 nm → UV. C : 10 µm = 10 000 nm, entre 800 nm et 1 mm → infrarouge. D : 12 cm, entre 1 mm et 30 cm → micro-ondes. E : 3 m, au-delà de 30 cm → ondes radio.
b) Les longueurs d'onde sont déjà rangées de la plus petite à la plus grande. La fréquence diminue quand la longueur d'onde augmente, donc l'ordre des fréquences décroissantes est : A, B, C, D, E.
Exercice 5
Une onde radio FM a une longueur d'onde d'environ 3 m. Une lumière verte a une longueur d'onde de 550 nm.
a) Laquelle a la plus grande longueur d'onde ?
b) Laquelle a la plus grande fréquence ? Justifier sans calcul.
a) 550 nm = \(5{,}5 \times 10^{-7}\) m, bien moins que 3 m : l'onde radio a la plus grande longueur d'onde.
b) Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est grande : la lumière verte a la plus grande fréquence.
Exercice 6
Un élève affirme : « La lumière du Soleil a besoin de l'air pour arriver jusqu'à nous, comme le son. » Expliquer son erreur.
La lumière du Soleil traverse l'espace, qui est presque vide. Une onde électromagnétique se propage dans le vide : elle n'a pas besoin d'un milieu matériel. Le son, lui, a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide).
C2 — Relier fréquence, longueur d'onde et célérité dans le vide
Rappel de cours
Dans le vide : \(\lambda = \dfrac{c}{f}\) et \(f = \dfrac{c}{\lambda}\), avec :
\(c = 3{,}00 \times 10^8\) m/s (célérité de la lumière dans le vide)
\(\lambda\) : longueur d'onde en mètres (m)
\(f\) : fréquence en hertz (Hz)
Conversions : 1 nm = \(10^{-9}\) m ; 1 µm = \(10^{-6}\) m ; 1 MHz = \(10^6\) Hz ; 1 GHz = \(10^9\) Hz.
Exercice 7
Une station de radio FM émet à la fréquence \(f = 100\) MHz.
a) Convertir cette fréquence en hertz.
b) Calculer la longueur d'onde dans le vide.
a) \(f = 100 \text{ MHz} = 100 \times 10^6 = 1{,}00 \times 10^8\) Hz.
b) \(\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{1{,}00 \times 10^8} = \mathbf{3{,}00}\) m.
Exercice 8
Une lampe UV de séchage émet à une longueur d'onde \(\lambda = 365\) nm. Calculer la fréquence de ce rayonnement.
Une box Internet émet en Wi-Fi à la fréquence de 5 GHz. Calculer la longueur d'onde dans le vide, en m puis en cm.
\(f = 5 \text{ GHz} = 5 \times 10^9\) Hz
\(\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{5 \times 10^9} = \mathbf{0{,}06}\) m, soit 6 cm.
Exercice 10
Un capteur de sécurité infrarouge émet à \(f = 3 \times 10^{13}\) Hz. Calculer la longueur d'onde correspondante et vérifier que c'est bien de l'infrarouge (λ > 800 nm).
\(\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3 \times 10^8}{3 \times 10^{13}} = \mathbf{10^{-5}}\) m = 10 µm = 10 000 nm
10 000 nm > 800 nm → c'est bien de l'infrarouge.
Exercice 11
La lumière bleue d'un laser de gravure a \(\lambda = 450\) nm. La lumière rouge d'un pointeur laser a \(\lambda = 650\) nm.
a) Calculer les deux fréquences.
b) Vérifier que la radiation de plus petite longueur d'onde a la plus grande fréquence.
b) 450 nm < 650 nm et \(6{,}67 \times 10^{14}\) Hz > \(4{,}62 \times 10^{14}\) Hz : la lumière bleue, de plus petite longueur d'onde, a bien la plus grande fréquence.
Exercice 12
Dans le vide, on compare deux ondes.
a) La fréquence de l'onde B est le double de celle de l'onde A. Comparer leurs longueurs d'onde.
b) La longueur d'onde de l'onde D est le triple de celle de l'onde C. Comparer leurs fréquences.
Dans le vide, \(c\) ne change pas et \(\lambda = \dfrac{c}{f}\) : la longueur d'onde et la fréquence varient en sens inverse.
a) Si \(f\) est multipliée par 2, \(\lambda\) est divisée par 2 : \(\lambda_B = \lambda_A / 2\).
b) Si \(\lambda\) est multipliée par 3, \(f = c/\lambda\) est divisée par 3 : \(f_D = f_C / 3\).
Exercice 13
Pour une radiation de 600 nm, un élève écrit : \(f = \dfrac{3 \times 10^8}{600} = 5 \times 10^5\) Hz.
a) Trouver son erreur.
b) Faire le calcul juste. Pourquoi un résultat de \(5 \times 10^5\) Hz devait-il alerter ?
a) Il n'a pas converti la longueur d'onde en mètres : 600 nm = \(600 \times 10^{-9}\) m = \(6{,}00 \times 10^{-7}\) m.
b) \(f = \dfrac{3{,}00 \times 10^8}{6{,}00 \times 10^{-7}} = \mathbf{5{,}00 \times 10^{14}}\) Hz. Une radiation visible a une fréquence de l'ordre de \(10^{14}\) Hz : \(5 \times 10^5\) Hz est un milliard de fois trop petit.
C3 — Associer sources, détecteurs et usages des ondes
Source, détecteur, information
Une source émet un rayonnement ; un détecteur adapté au domaine le transforme en signal exploitable. L'œil ne détecte ni les UV ni les IR. Pour transmettre une information, l'émetteur fait varier le signal selon un code, que le récepteur décode.
Usage
Fréquence
Longueur d'onde
Domaine
Wi-Fi
2,4 GHz ou 5 GHz
12,5 cm ou 6 cm
micro-ondes
Téléphone mobile
de 700 MHz à 3,5 GHz
de 43 cm à 9 cm
ondes radio et micro-ondes
RFID
125 kHz, 13,56 MHz ou 868 MHz
2,4 km, 22 m ou 35 cm
ondes radio
Frontière entre micro-ondes et ondes radio prise à 30 cm.
Exercice 14
Pour chaque source, proposer un détecteur adapté :
Source
Détecteur adapté
LED infrarouge d'une télécommande de télévision
Lampe LED d'un bureau
Antenne d'une box Wi-Fi
Antenne relais de téléphonie mobile
LED infrarouge → récepteur infrarouge de la télévision (l'œil ne voit pas l'IR).
Lampe LED → œil, ou caméra.
Antenne de la box → antenne de l'ordinateur, de la tablette ou du téléphone.
Antenne relais → antenne du téléphone mobile.
Exercice 15
Identifier le domaine du rayonnement utilisé dans chaque application :
Séchage d'un vernis photosensible sur un panneau bois en 10 secondes.
Détection de présence humaine dans un couloir d'atelier.
Mesure de distance par un laser rouge avant la pose d'une cuisine.
UV : les vernis « UV » durcissent sous rayonnement ultraviolet.
IR : un détecteur PIR réagit aux variations du rayonnement infrarouge reçu par ses différentes zones lorsqu'un corps chaud se déplace dans son champ ; il ne mesure pas simplement une « chaleur du corps ».
Visible : laser rouge (λ ≈ 630 à 650 nm).
Exercice 16
D'après le cours, associer chaque usage à son domaine du spectre et à l'ordre de grandeur de sa longueur d'onde dans le vide.
Usage
Domaine
Longueur d'onde
Wi-Fi à 2,4 GHz
Téléphone mobile (700 MHz à 3,5 GHz)
Badge RFID à 13,56 MHz
Longueurs d'onde proposées : environ 22 m ; environ 12 cm ; de 9 cm à 43 cm environ.
Wi-Fi à 2,4 GHz : micro-ondes, environ 12 cm (12,5 cm).
Téléphone mobile : ondes radio et micro-ondes, de 9 cm à 43 cm environ selon la bande utilisée.
Badge RFID à 13,56 MHz : ondes radio, environ 22 m.
Ces trois usages servent à transmettre des informations.
Exercice 17
Un volet roulant est commandé par une télécommande infrarouge. La télécommande envoie le même rayonnement infrarouge pour l'ordre « monter » et pour l'ordre « descendre ».
a) Comment le récepteur du volet distingue-t-il les deux ordres ?
b) En appuyant sur une touche, on ne voit aucune lumière. Cela prouve-t-il que la télécommande est en panne ? Comment la tester ?
a) L'émetteur fait varier le signal selon un code : chaque touche envoie une suite d'impulsions différente. Le récepteur transforme le rayonnement reçu en signal électrique, puis le circuit reconnaît le code. Le rayonnement infrarouge seul ne contient pas le message.
b) Non : l'œil ne détecte pas l'infrarouge. On teste avec un détecteur infrarouge adapté, par exemple le récepteur du volet lui-même, en vérifiant aussi les piles et le code.
Exercice 18
Un atelier remplace le séchage à l'air de ses panneaux laqués par un séchage sous lampe UV.
a) Dans quel domaine du spectre émet la lampe ?
b) L'œil ne permet pas de vérifier que la lampe émet bien des UV. Pourquoi ? Quel type d'appareil faut-il utiliser ?
c) Un collègue affirme : « Avec un vernis UV, il n'y a jamais de solvant. » Que lui répondre ?
a) Dans l'ultraviolet (UV).
b) Les UV ne font pas partie du domaine visible : l'œil ne les détecte pas. Il faut un détecteur d'UV adapté (capteur ou radiomètre UV).
c) C'est faux en général. Certains vernis UV sont sans solvant, mais d'autres sont à l'eau ou contiennent un solvant. La teneur en composés volatils dépend de la formulation : il faut lire la fiche technique et la fiche de données de sécurité du produit.
Exercice 19
Un technicien travaille près d'une lampe UV de séchage (λ = 365 nm). Quels risques présente l'exposition aux UV ? Quelles précautions prendre ?
Risques : effets sur les yeux et la peau, dont la nature et la gravité dépendent notamment de la longueur d'onde et de la dose reçue. Prévention : suivre la notice du fabricant, enfermer ou écranter la source et utiliser les dispositifs de verrouillage avant de compter sur les équipements de protection individuelle. Si une exposition résiduelle subsiste, choisir des protections des yeux et de la peau adaptées au rayonnement ; ne jamais regarder directement la lampe.
Exercice 20
Un chauffagiste contrôle la surface d'un radiateur avec un pyromètre infrarouge. L'appareil indique 65 °C sans toucher le radiateur.
a) Quel rayonnement le pyromètre détecte-t-il ? Quelle est la source de ce rayonnement ?
b) Quel avantage offre cette mesure par rapport à une mesure au contact ?
a) Le pyromètre est un détecteur d'infrarouge. La source est la surface du radiateur, qui émet un rayonnement infrarouge.
b) La mesure est rapide et sans contact : pas de risque de brûlure et pas de perturbation de la surface. Sa justesse dépend toutefois du réglage de l'appareil, de la surface visée et de son étalonnage.
C4 — Pour aller plus loin : observer et interpréter un spectre lumineux
Rappel de cours — pour aller plus loin
Cette notion dépasse le programme du groupement 3. Elle est proposée en complément et n'est pas évaluée en interrogation.
Un spectroscope disperse la lumière selon la longueur d'onde. Une source thermique, comme un filament chauffé, donne un spectre continu. Certaines lampes à décharge donnent un spectre de raies séparées. Pour comparer deux spectres, il faut le même réglage, la même distance et un capteur non saturé.
Exercice 21
On observe au spectroscope la lumière de deux lampes A et B.
Spectres de deux lampes observés avec le même spectroscope et les mêmes réglages.
a) Décrire chaque spectre.
b) Nommer le type de chaque spectre.
a) A : toutes les couleurs se suivent sans interruption, du violet au rouge. B : quatre raies fines et séparées sur un fond noir, vers 405 nm (violet), 436 nm (bleu), 546 nm (vert) et 578 nm (jaune).
b) A : spectre continu. B : spectre de raies.
Exercice 22
Un groupe photographie les spectres de deux lampes. Il double le temps de pose pour la deuxième photo, qui paraît alors deux fois plus claire. Peut-il conclure que la deuxième lampe est deux fois plus intense ? Proposer un contrôle.
Non : le réglage d'exposition a changé, ce qui modifie l'aspect de la photo. Il faut refaire les deux photos avec le même spectroscope, le même réglage, la même distance et sans saturer le capteur. Même alors, une photo ne donne pas directement la puissance émise.
Pour aller plus loin — hors programme du groupement 3 : transmission, absorption et réflexion
Rappel — pour aller plus loin
Cette notion dépasse le programme du groupement 3. Elle est proposée en complément.
Quand un rayonnement atteint une surface, une part est transmise (elle traverse), une part absorbée (elle échauffe le matériau) et une part réfléchie (elle est renvoyée). Avec des coefficients rapportés au même rayonnement reçu : \(\tau + \alpha + \rho = 1\) (\(\tau\) : transmission, \(\alpha\) : absorption, \(\rho\) : réflexion).
Exercice 23
Un vitrage a un coefficient de transmission \(\tau = 0{,}80\) et de réflexion \(\rho = 0{,}10\). Calculer le coefficient d'absorption \(\alpha\). Que devient la lumière absorbée ?
\(\alpha = 1 - \tau - \rho = 1 - 0{,}80 - 0{,}10 = \mathbf{0{,}10}\)
La lumière absorbée est transformée en chaleur dans le vitrage, ce qui le réchauffe légèrement.
Exercice 24
On éclaire une plaque de bois avec un faisceau lumineux de 100 W. La plaque absorbe 85 % et réfléchit 10 % du rayonnement reçu. Calculer la puissance absorbée, la puissance réfléchie et la puissance transmise.
Absorbée : \(85\,\% \times 100 = 85\) W
Réfléchie : \(10\,\% \times 100 = 10\) W
Transmise : \(100 - 85 - 10 = \mathbf{5}\) W (5 %)
Exercice 25
Dans un modèle simplifié qui néglige les réflexions multiples entre les faces, un double vitrage est constitué de deux verres (\(\tau = 0{,}90\) chacun) et d'une lame d'argon considérée comme transparente. Calculer la transmission totale du système.
Chaque verre transmet 90 % du flux qu'il reçoit. Pour deux verres l'un après l'autre :
\(\tau_{\text{total}} = \tau_1 \times \tau_2 = 0{,}90 \times 0{,}90 = \mathbf{0{,}81}\), soit 81 %.
Le double vitrage transmet 81 % de la lumière visible.