1Signaux et milieux de propagation
Définition. Un signal est la variation d’une grandeur physique porteuse d’information : acoustique (surpression par rapport à la pression au repos, ou vitesse des particules du fluide) ; mécanique (déplacement transversal d’une corde, altitude de la surface d’un liquide) ; électrique (tension ou intensité le long d’un câble coaxial) ; électromagnétique (champ électrique d’une onde radio, lumineuse ou X).
Notation. On note la valeur du signal en à la date ; toute cette fiche se limite à une propagation unidimensionnelle selon . Le milieu est supposé illimité (pas de bord, donc pas d’onde réfléchie), transparent (pas d’absorption) et, jusqu’au bloc 5, non dispersif.
Propriété — ordres de grandeur à savoir citer. Acoustique : audible , ultrasons au-delà ( en TP) ; dans l’air, dans l’eau, dans l’acier. Mécanique : corde et vagues, de à ; houle , corde de guitare . Électromagnétique : radio , visible à (soit ) ; dans le vide.
2Onde progressive : le retard de propagation
Définition. Un signal se propage à la célérité selon les croissants lorsque le signal observé en reproduit, avec le seul retard , celui observé en : pour tout ,
où est la fonction du temps enregistrée à l’origine. Une telle onde est dite progressive. Si elle se propage vers les décroissants, le signal en est en avance et .
Propriété — formes équivalentes. Puisque , on peut aussi écrire ( croissants) ou ( décroissants). Les fonctions et sont différentes mais décrivent la même onde : est un signal temporel (lu à fixé), un profil spatial (photographié à fixé).
Méthode — reconnaître une onde progressive. Un signal est une onde progressive si et seulement s’il ne dépend de et de que par la combinaison (ou ). Le contrôle d’homogénéité tranche aussitôt : dans les deux termes sont des durées, dans des longueurs ; et sont impossibles.
Onde vers les croissants signe moins dans (le point aval reçoit après). Onde vers les décroissants signe plus. C’est l’erreur la plus fréquente : la retenir par le raisonnement (« plus loin, c’est plus tard »), jamais par cœur.
Figure 1 — Deux photographies du milieu : le profil est translaté de sans déformation (milieu non dispersif et transparent). Ici et , donc .
Méthode — exploiter un enregistrement. Deux photographies aux dates et : le décalage du profil donne le sens de propagation (son signe) et . Deux chronogrammes en et : le retard donne .
3Onde progressive sinusoïdale et double périodicité
Définition. Une onde progressive sinusoïdale (ou monochromatique) de pulsation se propageant vers les croissants s’écrit, en partant de :
est l’amplitude, le nombre d’onde (en ), et la phase de l’onde.
Théorème — double périodicité. Le signal est périodique en temps et en espace :
Idée de la démonstration : est la plus petite période spatiale, donc ; avec et , il vient . Autre lecture : pendant une période , le profil se translate de , et comme il se reproduit à l’identique, est bien une période spatiale.
La fréquence est imposée par la source et ne change pas quand l’onde change de milieu. La longueur d’onde, elle, dépend du milieu par : un son de a dans l’air et dans l’eau. Une onde lumineuse de dans le vide a dans un verre d’indice .
Figure 2 — À fixé : période .
Figure 3 — À fixé : période .
4Déphasage dû à la propagation
Théorème — déphasage et retard. Soient deux points et d’un milieu non dispersif traversé par l’onde progressive sinusoïdale précédente. Le signal en est celui de retardé de , donc le déphasage de par rapport à vaut
Le signe traduit un retard : le point situé plus loin de la source est en retard de phase.
Propriété — cas particuliers. donne : les deux points vibrent en phase. donne : ils vibrent en opposition de phase. Plus généralement, et vibrent en phase si et seulement si avec .
Méthode — mesurer , puis . On déplace un récepteur le long de la direction de propagation en observant à l’oscilloscope son déphasage avec un récepteur fixe : chaque retour en phase correspond à un déplacement de . Après coïncidences sur une distance , puis ; prendre grand améliore la précision.
Émetteur à dans l’air. On déplace le récepteur de et l’on observe retours en phase : , puis .
5Milieux dispersifs et vitesse de phase
Définition. On appelle relation de dispersion du milieu la relation imposée par le milieu à toute onde progressive sinusoïdale qui s’y propage. On définit alors la vitesse de phase
qui est la vitesse à laquelle se déplace un point de phase donnée (une crête, par exemple).
Définition. Le milieu est non dispersif si ne dépend pas de , c’est-à-dire si avec constante : alors pour toutes les fréquences. Il est dispersif dans le cas contraire.
Propriété — conséquence. Dans un milieu non dispersif, un signal de forme quelconque se propage sans déformation : toutes ses composantes sinusoïdales voyagent à la même vitesse. Dans un milieu dispersif, chacune avance à sa propre vitesse et le signal se déforme : seule une onde monochromatique garde sa forme.
Non dispersifs : le vide pour la lumière ; l’air pour le son audible ; un câble coaxial idéal. Dispersifs : un verre d’indice avec , où vaut à et à (dispersion du prisme) ; l’ionosphère, de relation ; les vagues de gravité en eau profonde, de relation , pour lesquelles vaut à et à : la houle longue arrive la première.
Remarque — n’est pas un paradoxe. Pour l’ionosphère, donne : la vitesse de phase n’est ni la vitesse de transport de l’énergie, ni celle de l’information — une sinusoïde illimitée dans le temps ne transporte aucune information. La propagation n’est possible que si ; en dessous, n’est pas réel et l’onde est réfléchie (les ondes courtes font ainsi le tour de la Terre).
6Interférences de deux ondes de même fréquence
Notation. Deux sources et émettent des ondes synchrones (même fréquence) et cohérentes (leur déphasage à l’émission est constant dans le temps). En un point les deux ondes se superposent : avec .
Théorème — amplitude résultante. En posant , la somme de deux sinusoïdes de même pulsation est une sinusoïde de même pulsation, d’amplitude telle que
Idée de la démonstration : on somme les amplitudes complexes et , puis on prend le module au carré de .
Définition. L’intensité (ou éclairement, en optique) est proportionnelle au carré de l’amplitude : . La relation précédente devient la formule de Fresnel, fournie :
Le terme est le terme d’interférences : sans lui, les intensités s’ajouteraient simplement.
Théorème — conditions d’interférences. Avec , la formule de Fresnel donne , donc
Définition. Le contraste de la figure d’interférences est . Il vaut si et seulement si ; il tombe à dès que .
Deux sources indépendantes (deux lampes, deux lasers distincts) ont un déphasage à l’émission qui fluctue au hasard : le terme d’interférences a une moyenne nulle et l’on n’observe que . En optique, on divise une même source — c’est le rôle des deux trous d’Young. En acoustique et en radio, deux émetteurs pilotés par un même générateur sont cohérents.
7Interférences lumineuses : chemin optique et trous d’Young
Définition. Le chemin optique d’un rayon allant de à est , soit dans un milieu homogène d’indice . La phase accumulée le long du trajet vaut , où est la longueur d’onde dans le vide.
Définition. La différence de chemin optique au point entre les deux trajets est , et
Les interférences sont constructives si est entier (), destructives si est demi-entier ().
Figure 4 — Trous d’Young : une source unique éclaire deux trous et distants de , ce qui garantit la cohérence. L’écran est à la distance .
Théorème — différence de chemin optique des trous d’Young. Avec les notations de la figure 4 — d’ordonnée , d’ordonnée , d’abscisse — dans l’air (), étant à égale distance de et de :
donc et . Comme et , :
Théorème — répartition d’intensité et interfrange. Les deux trous étant identiques, et la formule de Fresnel donne
On observe des franges rectilignes, parallèles aux trous, équidistantes. La frange centrale (, ) est brillante. L’interfrange est la distance entre deux franges brillantes consécutives :
Franges brillantes en (), franges sombres en .
Figure 5 — Répartition d’intensité pour , et , soit . La moyenne vaut : les interférences redistribuent l’énergie, elles ne la créent pas.
Méthode — exploiter une figure de franges. Mesurer l’étendue de interfranges (jamais d’un seul) : , d’où l’inconnue par . Contrôles : croît avec , décroît avec , et est proportionnel à — le rouge donne des franges plus larges que le bleu.
Propriété — influence d’une lame mince. Interposer devant l’un des trous une lame d’épaisseur et d’indice augmente de le chemin optique de cette voie (on remplace d’air par de verre). Lame devant : et la frange centrale passe en ; lame devant : signes opposés. Dans les deux cas la figure se translate de interfranges vers le trou couvert, sans changer d’interfrange.
8Savoir-faire et démonstrations exigibles
- Identifier la grandeur physique qui constitue le signal ; citer des ordres de grandeur de fréquences et de célérités.
- Écrire une onde progressive sous les formes et ; contrôler l’homogénéité et le sens de propagation ; prévoir l’évolution à fixé et le profil à fixé ; exploiter deux photographies ou deux chronogrammes.
- Relier , et ; calculer ; changer de milieu en conservant ; relier déphasage et retard ; mesurer , et un déphasage.
- Reconnaître un milieu dispersif à partir d’une relation de dispersion fournie et calculer .
- Exprimer les conditions d’interférences et l’amplitude résultante en fonction du déphasage ; exploiter la formule de Fresnel ; tenir compte des indices dans un chemin optique.
- Établir pour les trous d’Young, en déduire et , et exploiter une figure de franges.
- Démonstrations à savoir refaire : forme à partir du retard, et écriture équivalente ; double périodicité ; déphasage ; amplitude résultante par somme d’amplitudes complexes ; conditions d’interférences ; puis ; vitesse de phase à partir d’une relation de dispersion.
- Onde progressive : ( croissants) ; ( décroissants) ; retard .
- Sinusoïdale : ; ; ; .
- Déphasage : ; en phase si , en opposition si .
- Chemin optique : ; ; ; .
- Fresnel (fournie) : ; si : ; .
- Trous d’Young : ; ; lame mince devant : .
- Repères : ; , eau , acier ; ; visible ; , , .
- Écrire ou : ces expressions ne sont pas homogènes. Contrôler avant de calculer.
- Se tromper de signe : vers les croissants, c’est (« plus loin, donc plus tard »).
- Confondre la période temporelle et la période spatiale , ou lire sur un chronogramme .
- Croire que ne dépend que de la source : c’est qui est imposée par la source ; change avec le milieu.
- Oublier les indices dans : c’est une différence de chemin optique, non de distance géométrique.
- Prendre comme condition constructive : est constructif, destructif.
- Ajouter les intensités sans le terme d’interférences, ou ajouter les amplitudes sans tenir compte du déphasage.
- Croire que deux sources indépendantes interfèrent : il faut la cohérence, donc une source unique divisée (ou un générateur commun).
- Confondre interférences et diffraction, ou introduire une « équation d’onde » : ni l’une ni l’autre ne figurent au programme de MPSI.
- Mesurer un interfrange sur une seule frange : toujours mesurer interfranges et diviser par .