Signaux physiques et ondes progressives
Cours · physique des ondes (PCSI), chapitre 1 · CPGE PCSI (1re année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun
Un son qui se propage dans l'air, une vague à la surface de l'eau, une impulsion le long d'une corde, un signal électrique dans un câble, la lumière d'une étoile : dans tous ces cas, une grandeur physique — un signal — créée en un endroit se propage de proche en proche vers les régions voisines. C'est le phénomène d'onde.
Ce premier chapitre pose le vocabulaire (signal, célérité, retard) et le modèle de l'onde progressive dans un milieu non dispersif : une perturbation qui se déplace sans se déformer à une vitesse . On apprendra à écrire un signal sous la forme et à passer du point de vue « temporel » (en un point fixe) au point de vue « spatial » (à un instant donné). Les ondes sinusoïdales et les interférences feront l'objet des chapitres suivants.
1.1 Les signaux physiques
Un signal est une grandeur physique dont la variation transporte une information. Il dépend en général du temps et de la position : on le note . Quelques exemples :
- signal acoustique : la surpression par rapport à la pression atmosphérique (ou le déplacement des molécules d'air) ;
- signal électrique : une tension ou une intensité ;
- signal électromagnétique : le champ électrique (lumière, ondes radio).
On rencontrera surtout le signal sinusoïdal , brique élémentaire à partir de laquelle tout signal périodique se décompose (analyse de Fourier, vue en électricité). Ses caractéristiques (amplitude, période, fréquence, pulsation) et sa propagation sont étudiées en détail au chapitre 2.
1.2 Propagation : l'onde progressive
Lorsqu'on perturbe un milieu en un point, la perturbation ne reste pas sur place : elle gagne les points voisins avec un certain retard, car l'information met un temps fini à se propager.
Dans un milieu illimité, non dispersif et transparent, une perturbation se propage sans déformation à une vitesse constante appelée célérité (en ). Un signal se propageant dans le sens des croissants s'écrit
et, dans le sens des décroissants, .