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Absorption entre niveaux atomiques. Source : http://data.abuledu.org/URI/50b3d036-absorption-entre-niveaux-atomiques

Absorption entre niveaux atomiques

Processus d'interaction entre la lumière et la matière : illustration du phénomène d'absorption entre les niveaux atomiques : Le photon d'énergie h u fait passer l'atome de son état fondamental 1 vers l'état excité 2. Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état n à un état n' > n, en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence du rayonnement omega doit être proche d'une fréquence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par hbaromega_{nn'}=(E_{n'}-E_n), où E_{n'} > E_n sont les énergies des états n' et n. On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie hbaromega=h u) faisant passer l'atome du niveau d'énergie E_n vers le niveau d'énergie E_{n'}. La condition de résonance correspond alors à la conservation de l'énergie.

Chambre anéchoïque dite chambre sourde. Source : http://data.abuledu.org/URI/52c4110f-chambre-anechoique-dite-chambre-sourde

Chambre anéchoïque dite chambre sourde

Chambre anéchoïque du LNE : Le Laboratoire national de métrologie et d'essais, anciennement Laboratoire national d'essais (LNE), est un organisme français chargé de réaliser les mesures et essais de produits de toutes sortes en vue de leur certification pour leur mise sur le marché. Son siège est situé dans le 15e arrondissement de Paris, et il fonctionne sous le régime d'un Établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC).

Christian Huygens. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a58dd1-christian-huygens

Christian Huygens

Portrait relief de Christian Huygens (1629-1695) par Jean-Jacques Clerion (1637-1714) : mathématicien, astronome et physicien néerlandais, connu pour ses arguments selon lesquels la lumière est composée d'ondes. En réponse aux articles d'Isaac Newton sur la lumière, en 1672, il se lance dans l'étude de la nature de la lumière, à la suite de savants tels que Rasmus Bartholin. Il découvre en 1677, grâce aux propriétés des cristaux et de leur coupe géométrique, en particulier grâce au spath d'Islande, que les lois de réflexion et de réfraction de Snell-Descartes sont conservées si l'on suppose une propagation de la lumière sous la forme d'ondes. En outre, la double réfraction du spath d'Islande peut être expliquée, ce qui n'est pas le cas avec une théorie corpusculaire. La théorie ondulatoire, présentée en 1678 sera publiée en 1690 dans son "Traité de la Lumière".

Diffraction à travers un voilage. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8d78e-diffraction-a-travers-un-voilage

Diffraction à travers un voilage

Lorsqu'une source de lumière quasiment ponctuelle est observée à travers un rideau ou un voilage, on peut voir une figure de diffraction telle celle-ci : zoom vers lumière extérieure allumée de jour (lobes secondaires presque indiscernables). Elle résulte de la diffraction de la lumière par le rideau, dont le tissu constitue tout un ensemble d'ouvertures carrées. La mesure de l'angle entre la tache centrale et sa voisine permet d'obtenir le pas du rideau. Les irisations des taches proviennent du fait que chaque longueur d'onde construit sa propre figure de diffraction, légèrement différente de celle d'une longueur d'onde voisine. Les endroits où les figures coïncident sont blancs (en particulier la tache centrale), les autres sont colorés. On constate que la répartition des couleurs est logique car les maxima du sinus cardinal sont obtenus régulièrement (tous les Pi/2 et x, distance d'un point au centre de la tâche, est proportionnel à lambda.

Diffraction de Fresnel (courbe). Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8d2e4-diffr-fresnel-courbe-petit-png

Diffraction de Fresnel (courbe)

Courbe donnant l'intensité de la lumière diffractée par un bord d'écran observée à une distance r=1 mètre. La longueur d'onde est λ=0,5 micromètres. On observe que la largeur de la première oscillation est de l'ordre de √(λr), les autres oscillations sont plus rapides et moins marquées. L'intensité que l'on aurait en l'absence de diffraction est représentée en rouge. L'intégrale appelée transformation de Fresnel permet de déterminer la figure de diffraction observée à distance finie de l'ouverture diffractante. Ce genre de diffraction peut par exemple s'observer sur les bords de l'ombre géométrique d'un écran comme sur ce schéma.

Diffraction par ouverture rectangulaire. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8d458-diffraction-par-ouverture-rectangulaire

Diffraction par ouverture rectangulaire

Figure de diffraction : notations utilisées pour une ouverture rectangulaire. Une ouverture rectangulaire de côtés a et b correspond à une transmission t(X, Y) définie par : t(X,Y) = 1 si |X|<a/2 et |Y|<b/2 ; t(X,Y) = 0 sinon.

Dispersion de la lumière au passage d'un dioptre. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a821f2-dispersion-de-la-lumiere-au-passage-d-un-dioptre

Dispersion de la lumière au passage d'un dioptre

Dispersion de la lumière blanche au passage d'un prisme. La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la même vitesse. On rencontre ce phénomène pour tous types d'ondes, comme la lumière, le son ou les vagues. Les arcs-en-ciel sont une manifestation de la dispersion induite par réfraction des rayons du soleil par les gouttes de pluie.

Disque chromatique. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a900ed-disque-chromatique

Disque chromatique

Disque chromatique avec les longueurs d'ondes associées.

Domaines du spectre électromagnétique. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8f925-domaines-du-spectre-electromagnetique

Domaines du spectre électromagnétique

Régions approximatives en fréquence et en longueur d'onde du spectre électromagnétique. Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence (ou période), d'énergie des photons ou encore de longueur d’onde associée, les quatre grandeurs u (fréquence), T (période), E (énergie) et lambda (longueur d’onde) étant liées deux à deux par : la constante de Planck h, (approx. 6,626069×10-34 J⋅s ≈ 4,13567 feV/Hz) et la vitesse de la lumière c, (exactement 299 792 458 m/s).

Écholocation des Chiroptères. Source : http://data.abuledu.org/URI/53c6c40b-echolocation-des-chiropteres

Écholocation des Chiroptères

Écholocation par une chauve-souris : A – Chiroptère, B – proie, d – distance, E – émission de l'onde, R – retour de l'onde.

Effet Doppler. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a77081-effet-doppler

Effet Doppler

Schéma de l'éffet Doppler mesurant le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou électromagnétique entre la mesure à l'émission (1) et la mesure à la réception (2) lorsque la distance entre l'émetteur (A) et le récepteur (B) varie au cours du temps.

Effet Doppler. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a77299-effet-doppler

Effet Doppler

Effet Doppler : ondes émies par une source se déplaçant de la droite vers la gauche. La fréquence est plus élevée à gauche (à l'avant de la source) qu'à droite.

Effet Doppler. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a78ac8-effet-doppler

Effet Doppler

L'effet Doppler appliqué à la lumière des galaxies.

Effet Doppler d'une ambulance. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a771d3-effet-doppler-d-une-ambulance

Effet Doppler d'une ambulance

Mesure de l'Effet Doppler de la sirène d'une ambulance : 1=source émise, 2=écho.

Effet Doppler-Fizeau. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a76f10-effet-doppler-fizeau

Effet Doppler-Fizeau

Schéma représentant les ondes émises par une source se déplaçant de la droite vers la gauche. La fréquence est plus élevée à gauche (à l'avant de la source) qu'à droite. L'effet Doppler ou effet Doppler-Fizeau est le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou électromagnétique entre la mesure à l'émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Si on désigne de façon générale ce phénomène physique sous le nom d'effet Doppler, on réserve le terme d'« effet Doppler-Fizeau » aux ondes lumineuses.

Fentes de Young. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a598ed-fentes-de-young

Fentes de Young

Simulation des interférences obtenues après les fentes de Young : les deux points en bas de l'image sont les sources de lumière. Les fentes de Young (ou interférences de Young) désignent en physique l'expérience qui consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d'une même source, en les faisant passer par deux petits trous percés dans un plan opaque. Cette expérience fut réalisée pour la première fois par Thomas Young en 1801 et a permis de comprendre le comportement et la nature de la lumière. Sur un écran disposé en face des fentes de Young, on observe un motif de diffraction qui est une zone où s'alternent des franges sombres et illuminées. Cette expérience permet alors de mettre en évidence la nature ondulatoire de la lumière.

Fentes de Young. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a7bb9b-fentes-de-young

Fentes de Young

Schéma de l'expérience de double interférence des fentes de Young.

Front d'onde. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a59de2-front-d-onde

Front d'onde

Les fronts d'onde d'une onde plane sont des plans. Le front d'onde est une surface d'égale phase d'une onde, c'est-à-dire que ces points ont mis le même temps de parcours depuis la source. Le front d'onde évolue dans l'espace à la vitesse de propagation de l'onde dans une direction normale à la surface. On peut distinguer deux principaux types de fronts d'onde : les plans et les sphères. Les premiers sont caractéristiques d'une onde plane, et les seconds d'une onde sphérique.

Houle croisée au phare des baleines. Source : http://data.abuledu.org/URI/50bf4f86-houle-croisee-au-phare-des-baleines

Houle croisée au phare des baleines

Mer croisée, peu agitée. Petite houle au pie du Phare des Baleines, île de Ré, janvier 2011. La houle est un mouvement ondulatoire de la surface de la mer qui est formé par un champ de vent éloigné de la zone d'observation (vent lointain). C'est donc un cas particulier de vague non déferlante. Il présente un aspect relativement régulier bien qu'il ne corresponde pas à la définition de la vague régulière périodique. Il ressemble plutôt à une telle onde dont l'amplitude varie lentement. Plus précisément c'est la partie de l'état de la mer qui se caractérise par son absence de relation avec le vent local. Une houle se caractérise en première approximation par une hauteur, double de l'amplitude, (de quelques décimètres à quelques mètres) et une longueur d'onde ou une période (généralement de l'ordre d'une dizaine de secondes). En réalité, il s'agit d'un phénomène qui n'est pas périodique et qui peut s'interpréter comme une somme d'une infinité de composantes sinusoïdales infiniment petites.

Interférences. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a7b098-interferences

Interférences

Simulation d'interférences d'ondes circulaires émises par deux sources voisines. La position des deux sources est marquée par une croix.

L'effet Doppler : le paradoxe des jumeaux. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a78dd8-l-effet-doppler-le-paradoxe-des-jumeaux

L'effet Doppler : le paradoxe des jumeaux

Tracés des cônes de lumière issus de la Terre (pointillés rouges) et du mobile (pointillés verts). La fréquence de réception, respectivement par le mobile, et par la Terre, traduit l'effet Doppler pour les phases aller et retour. Le schéma a été réalisé (pour simplifier la présentation - analyse des rapports de fréquence) dans le cas d'une vitesse égale à 0,8c. Des frères jumeaux sont nés sur Terre. L'un fait un voyage aller-retour dans l'espace en fusée à une vitesse proche de celle de la lumière. D'après le phénomène de dilatation du temps de la relativité restreinte, pour celui qui est resté sur Terre la durée du voyage est plus grande que pour celui qui est envoyé dans l'espace. Ce dernier rentre donc plus jeune que son jumeau sur Terre. Mais celui qui voyage est en droit de considérer, les lois de la physique étant identiques par changement de référentiel, qu'il est immobile et que c'est son frère et la Terre qui s'éloignent à grande vitesse de lui. Il pourrait donc conclure que c'est son frère qui est resté sur Terre qui est au final plus jeune. Ainsi chaque jumeau pense, selon les lois de la relativité restreinte, retrouver l'autre plus jeune que lui. Est-on tombé sur un véritable paradoxe ?

L'effet Doppler (rouge et bleu). Source : http://data.abuledu.org/URI/50a78be5-l-effet-doppler-rouge-et-bleu-

L'effet Doppler (rouge et bleu)

Décalage de la propagation du bleu et du rouge, par effet Doppler.

L'effet Doppler (voitures). Source : http://data.abuledu.org/URI/50a78981-l-effet-doppler-voitures-

L'effet Doppler (voitures)

L'effet Doppler appliqué à deux voitures.

Le spectre électromagnétique. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a81854-le-spectre-electromagnetique

Le spectre électromagnétique

Proposition d'illustration du spectre électromagnétique, le spectre visible correspond aux couleurs en bas du schéma. La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain. Il n'y a aucune limite exacte au spectre visible : l'œil adapté à la lumière possède généralement une sensibilité maximale à la lumière de longueur d'onde d'environ 550 nm, ce qui correspond à une couleur jaune-verte. Généralement, on considère que la réponse de l'œil couvre les longueurs d'ondes de 380 nm à 780 nm bien qu'une gamme de 400 nm à 700 nm soit plus commune. Les fréquences correspondantes vont de 350 à 750 THz (10¹² Hz). Cette gamme de longueur d'onde est importante pour le monde vivant car des longueurs d'ondes plus courtes que 380 nm endommageraient la structure des molécules organiques tandis que celles plus longues que 720 nm seraient absorbées par l'eau, constituant abondant du vivant. Ces extrêmes correspondent respectivement aux couleurs violet et rouge. Cependant, l'œil peut avoir une certaine réponse visuelle dans des gammes de longueurs d'onde encore plus larges. Les longueurs d'onde dans la gamme visible pour l'œil occupent la majeure partie de la fenêtre optique, une gamme des longueurs d'onde qui sont facilement transmises par l'atmosphère de la Terre.

Longueur d'onde. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8f145-longueur-d-onde

Longueur d'onde

Représentation de la longueur d’onde d’une fonction sinus. La longueur d’onde est une grandeur physique, homogène à une longueur, utilisée pour caractériser des phénomènes périodiques. Une onde est un phénomène physique se propageant et qui se reproduit identique à lui-même un peu plus tard dans le temps et un peu plus loin dans l’espace. On peut alors définir la longueur d’onde comme étant la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné. On la dénote communément par la lettre grecque λ (lambda). Notion inventée par Fesnel qui réalisa de nombreuses expériences sur les interférences lumineuses, indépendamment de celles de Thomas Young, pour lesquelles il forge la notion de longueur d'onde. Il calcule les intégrales dites de Fresnel.

Onde électromagnétique. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8d109-onde-electromagnetique

Onde électromagnétique

Représentation d'une onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant. Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle électrostatique vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).

Onde lumineuse surfée par une fourmi. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a8f34a-onde-lumineuse-surfee-par-une-fourmi

Onde lumineuse surfée par une fourmi

Onde lumineuse surfée par une fourmi.

Onde sismique. Source : http://data.abuledu.org/URI/509f668e-onde-sismique

Onde sismique

Schéma de propagation des ondes sismiques de type P.

Portrait d'Hippolyte Fizeau. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a78f29-portrait-d-hippolyte-fizeau

Portrait d'Hippolyte Fizeau

Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896), est un physicien, astronome français qui travailla notamment sur la lumière. En 1845, il réalise une première photographie nette du Soleil. En 1848, il découvre le décalage de fréquence d'une onde lorsque la source et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre (effet Doppler-Fizeau). C'est ainsi qu'il prédit le décalage vers le rouge des ondes lumineuses.

Portrait de Buys-Ballot. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a76c93-portrait-de-buys-ballot

Portrait de Buys-Ballot

C.H.D. Buys Ballot (1817-1890), savant néermandais surtout connu pour ses recherches en météorologie, en particulier sur l'explication du sens de la circulation autour des dépressions et des anticyclones. Ses recherches ne se limitent pas à la météorologie. En 1845, Buys Ballot engage un groupe de musiciens pour jouer une note bien précise sur le train Utrecht-Amsterdam. Il enregistre ensuite la différence entre cette fréquence et celle perçue le long de la ligne par un observateur pour confirmer les équations de Christian Doppler concernant la propagation des ondes sonores (Effet Doppler-Fizeau).

Portrait de Joseph Fourier. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a812c8-portrait-de-joseph-fourier

Portrait de Joseph Fourier

Portrait de Joseph Fourier (1768-1830), mathématicien et physicien français, connu pour ses travaux sur la décomposition de fonctions périodiques en séries trigonométriques convergentes appelées "séries de Fourier" et leur application au problème de la propagation de la chaleur. Il intègre l'École normale supérieure à 26 ans, où il a entre autres comme professeurs Joseph-Louis Lagrange, Gaspard Monge et Pierre-Simon de Laplace, auquel il succède à la chaire à Polytechnique en 1797. Il participe à la Révolution, manquant de peu de se faire guillotiner durant la Terreur, sauvé de justesse par la chute de Robespierre. En 1798, il est désigné pour faire partie de la campagne d'Égypte et quitte Toulon en mai. Il occupe un haut poste de diplomate et devient secrétaire de l'Institut d'Égypte dont il anime la vie scientifique. À son retour en France en 1802, Napoléon le nomme préfet de l'Isère le 12 février. Il crée en 1810 l'Université Royale de Grenoble dont il devient le recteur, et y remarque Jean-François Champollion.

Principe de la sismique-réflexion à terre. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a2a3f1-principe-de-la-sismique-reflexion-a-terre

Principe de la sismique-réflexion à terre

Principe de sismique réflexion sur terre : 1=vibrations provoquées dans le sous-sol, 2=propagation des ondes émises dans la première couche, 3= réflexion d'une partie des ondes (écho à l'arrivée à la couche géologique concernée), 4=ondes captées par des géophones. La sismique réflexion utilise la réflexion des ondes sur les interfaces entre plusieurs niveaux géologiques. On utilise des canons à air comprimé en mer, des camions vibreurs ou de la dynamite à terre pour créer des ondes. Les ondes émises se propagent et sont en partie réfléchies à chaque limite de couche. Elles sont reçues par des capteurs (hydrophones en mer ou géophones sur terre). La sismique réflexion peut être monotrace ou multitraces. Dans ce dernier cas, en plus d'augmenter le rapport signal sur bruit, il est possible de calculer les vitesses des milieux traversés. Cette information permet ensuite de convertir les données en profondeur.

Quatre types de frises. Source : http://data.abuledu.org/URI/52c86310-quatre-types-de-frises

Quatre types de frises

Quatre types de frises (ondes ayant la même fréquence et la même phase).

Réfraction. Source : http://data.abuledu.org/URI/50a59f8c-refraction

Réfraction

Principe de réfraction d'onde selon Huygens-Fresnel (Augustin Jean Fresnel, né le 10 mai 1788 à Broglie et mort le 14 juillet 1827 à Ville-d'Avray, est un physicien français fondateur de l’optique moderne ; il proposa une explication de tous les phénomènes optiques dans le cadre de la théorie ondulatoire de la lumière). Le principe de Huygens-Fresnel est un principe utilisé en optique : il permet entre autres de calculer l'intensité dans les phénomènes de diffraction et d'interférence. Il consiste à considérer chaque point de l'espace indépendamment. Si un point M reçoit une onde d'amplitude E(M, t), alors on peut considérer qu'il réémet une onde sphérique de même fréquence, même amplitude et même phase. Au lieu de considérer que l'onde progresse de manière continue, on décompose sa progression en imaginant qu'elle progresse de proche en proche. Formulé par Fresnel en 1815, ce principe reprend la base du modèle ondulatoire développé par Huygens (1690). Soit une surface ∑ et une source lumineuse S. On découpe ∑ en surfaces élémentaires d∑ centrées autour d'un point P. Chaque point P de ∑ atteint par la lumière émise par la source S se comporte comme une source secondaire fictive émettant une ondelette sphérique.

Source sonore omni-directionnelle dans une chambre sourde. Source : http://data.abuledu.org/URI/52c40dd7-source-sonore-omni-directionnelle-dans-une-chambre-sourde

Source sonore omni-directionnelle dans une chambre sourde

Source sonore artificielle omni-directionnelle dans une chambre acoustique anéchoïque (sourde), Université Technique de Prague.