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| cours:lycee:generale:seconde_generale_et_technologique:physique_chimie:ondes_et_signaux [2026/05/29 18:04] – [5.1. Les lentilles minces convergentes] prof67 | cours:lycee:generale:seconde_generale_et_technologique:physique_chimie:ondes_et_signaux [2026/06/01 01:26] (Version actuelle) – [2.2. La fréquence <m 12>f</m>] prof67 |
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| Pour aborder ce cours dans les meilleures conditions, il est essentiel de maîtriser quelques concepts clés issus des années de collège : | Pour aborder ce cours dans les meilleures conditions, il est essentiel de maîtriser quelques concepts clés issus des années de collège : |
| - La distinction fondamentale entre une source de lumière et un objet éclairé. | * La distinction fondamentale entre une source de lumière et un objet éclairé. |
| - La notion de vitesse (ou célérité) comme étant le rapport d'une distance par une durée : <m size="12">v = d / Delta t</m>. | * La notion de vitesse (ou célérité) comme étant le rapport d'une distance par une durée : <m 12>v=(d)/(Delta t)</m>. |
| - La connaissance des trois états de la matière (solide, liquide, gazeux), indispensable pour comprendre la propagation du son. | * La connaissance des trois états de la matière (solide, liquide, gazeux), indispensable pour comprendre la propagation du son. |
| - Les bases de la manipulation des puissances de dix, notamment pour exprimer des distances astronomiques ou des échelles microscopiques. | * Les bases de la manipulation des puissances de dix, notamment pour exprimer des distances astronomiques ou des échelles microscopiques. |
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| Ce cours se situe généralement dans la deuxième moitié de l'année de Seconde Générale. Il fait suite à l'étude de la constitution de la matière et précède souvent l'étude des mouvements et des forces, offrant une transition idéale entre la structure de l'atome et la mécanique macroscopique. | Ce cours se situe généralement dans la deuxième moitié de l'année de Seconde Générale. Il fait suite à l'étude de la constitution de la matière et précède souvent l'étude des mouvements et des forces, offrant une transition idéale entre la structure de l'atome et la mécanique macroscopique. |
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| **Définition :** Le son ne peut pas se propager dans le vide car il a besoin d'un support matériel pour "vibrer". | **Définition :** Le son ne peut pas se propager dans le vide car il a besoin d'un support matériel pour "vibrer". |
| La vitesse du son dans l'air, dans des conditions normales de température et de pression, est d'environ <m size="12">v_{son} = 340 m . s^{-1}</m>. | La vitesse du son dans l'air, dans des conditions normales de température et de pression, est d'environ <m 12>v_{son}=340m.s^{-1}</m>. |
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| ==== 1.2. Les ondes électromagnétiques : l'exemple de la lumière ==== | ==== 1.2. Les ondes électromagnétiques : l'exemple de la lumière ==== |
| Contrairement au son, la lumière est une **onde électromagnétique**. Elle a la particularité fascinante de pouvoir se propager dans le vide, ce qui nous permet de recevoir la lumière des étoiles. | Contrairement au son, la lumière est une **onde électromagnétique**. Elle a la particularité fascinante de pouvoir se propager dans le vide, ce qui nous permet de recevoir la lumière des étoiles. |
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| **Définition :** Dans le vide (et par approximation dans l'air), la lumière se déplace à une vitesse limite appelée célérité, notée <m size="12">c</m>. | **Définition :** Dans le vide (et par approximation dans l'air), la lumière se déplace à une vitesse limite appelée célérité, notée <m 12>c</m>. |
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| <m size="12">c approx 3,00 . 10^8 m . s^{-1}</m> | <m 12>c approx 3,00.10^8m.s^{-1}</m> |
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| Cette vitesse est une constante universelle. Pour vous donner une idée de l'échelle, la lumière parcourt environ sept fois le tour de la Terre en une seule seconde ! | Cette vitesse est une constante universelle. Pour vous donner une idée de l'échelle, la lumière parcourt environ sept fois le tour de la Terre en une seule seconde ! |
| ==== 1.3. Vitesse, distance et durée ==== | ==== 1.3. Vitesse, distance et durée ==== |
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| La relation fondamentale reliant la distance <m size="12">d</m> parcourue par un signal, la durée du trajet <m size="12">Delta t</m> et sa vitesse <m size="12">v</m> est : | La relation fondamentale reliant la distance <m 12>d</m> parcourue par un signal, la durée du trajet <m 12>Delta t</m> et sa vitesse <m 12>v</m> est : |
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| <m size="12">v = (d)/(Delta t)</m> | <m 12>v=(d)/(Delta t)</m> |
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| **Remarque pédagogique :** Attention à la cohérence des unités. Si <m size="12">d</m> est en mètres (<m size="12">m</m>) et <m size="12">Delta t</m> en secondes (<m size="12">s</m>), alors <m size="12">v</m> sera en <m size="12">m . s^{-1}</m>. En physique, nous n'utilisons plus la barre de fraction pour les unités au lycée, mais les exposants négatifs. | **Remarque pédagogique :** Attention à la cohérence des unités. Si <m 12>d</m> est en mètres (<m 12>m</m>) et <m 12>Delta t</m> en secondes (<m 12>s</m>), alors <m 12>v</m> sera en <m 12>m.s^{-1}</m>. En physique, nous n'utilisons plus la barre de fraction pour les unités au lycée, mais les exposants négatifs. |
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| **Question de réflexion :** Si vous voyez un éclair et que vous entendez le tonnerre 6 secondes plus tard, à quelle distance se trouve l'orage ? Pourquoi voit-on l'éclair avant d'entendre le son ? | **Question de réflexion :** Si vous voyez un éclair et que vous entendez le tonnerre 6 secondes plus tard, à quelle distance se trouve l'orage ? Pourquoi voit-on l'éclair avant d'entendre le son ? |
| De nombreux signaux naturels sont dits "périodiques". Cela signifie qu'ils se répètent identiquement à eux-mêmes sur des intervalles de temps réguliers. Pensez aux battements de votre cœur ou aux oscillations d'un pendule. | De nombreux signaux naturels sont dits "périodiques". Cela signifie qu'ils se répètent identiquement à eux-mêmes sur des intervalles de temps réguliers. Pensez aux battements de votre cœur ou aux oscillations d'un pendule. |
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| ==== 2.1. La période <m size="12">T</m> ==== | ==== 2.1. La période T ==== |
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| La **période** est la plus petite durée au bout de laquelle le signal se reproduit identiquement. Elle se note <m size="12">T</m> et s'exprime en secondes (<m size="12">s</m>). Sur un graphique représentant le signal en fonction du temps, la période correspond à la "longueur" d'un motif élémentaire sur l'axe des abscisses. | La **période** est la plus petite durée au bout de laquelle le signal se reproduit identiquement. Elle se note <m 12>T</m> et s'exprime en secondes (<m 12>s</m>). Sur un graphique représentant le signal en fonction du temps, la période correspond à la "longueur" d'un motif élémentaire sur l'axe des abscisses. |
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| ==== 2.2. La fréquence <m size="12">f</m> ==== | ==== 2.2. La fréquence f ==== |
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| La **fréquence** représente le nombre de répétitions du signal par seconde. Elle se note <m size="12">f</m> (ou parfois <m size="12">nu</m> en terminale) et son unité est le Hertz (<m size="12">Hz</m>). | La **fréquence** représente le nombre de répétitions du signal par seconde. Elle se note <m 12>f</m> (ou parfois <m 12>nu</m> en terminale) et son unité est le Hertz (<m 12>Hz</m>). |
| La relation mathématique qui lie ces deux grandeurs est fondamentale : | La relation mathématique qui lie ces deux grandeurs est fondamentale : |
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| <m size="12">f = (1)/(T)</m> | <m 12>f=(1)/(T)</m> |
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| Avec <m size="12">T</m> en <m size="12">s</m> et <m size="12">f</m> en <m size="12">Hz</m>. | Avec <m 12>T</m> en <m 12>s</m> et <m 12>f</m> en <m 12>Hz</m>. |
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| **Exemple concret :** Si un signal a une période de <m size="12">0,02 s</m>, sa fréquence est <m size="12">f = 1 / 0,02 = 50 Hz</m>. C'est précisément la fréquence du courant alternatif qui sort de vos prises électriques en France. | **Exemple concret :** Si un signal a une période de <m 12>0,02s</m>, sa fréquence est <m 12>f=(1)/(0,02)=50Hz</m>. C'est précisément la fréquence du courant alternatif qui sort de vos prises électriques en France. |
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| ==== 2.3. Tension maximale et minimale ==== | ==== 2.3. Tension maximale et minimale ==== |
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| Pour un signal électrique observé à l'oscilloscope, on définit : | Pour un signal électrique observé à l'oscilloscope, on définit : |
| - La **tension maximale** <m size="12">U_{max}</m> : la valeur la plus haute atteinte par le signal (en Volts, <m size="12">V</m>). | * La **tension maximale** <m 12>U_{max}</m> : la valeur la plus haute atteinte par le signal (en Volts, <m 12>V</m>). |
| - La **tension minimale** <m size="12">U_{min}</m> : la valeur la plus basse (en Volts, <m size="12">V</m>). | * La **tension minimale** <m 12>U_{min}</m> : la valeur la plus basse (en Volts, <m 12>V</m>). |
| - L'amplitude correspond souvent à la moitié de l'écart entre le maximum et le minimum pour un signal symétrique. | * L'amplitude correspond souvent à la moitié de l'écart entre le maximum et le minimum pour un signal symétrique. |
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| La perception d'un son par l'oreille humaine dépend de deux paramètres physiques principaux : | La perception d'un son par l'oreille humaine dépend de deux paramètres physiques principaux : |
| - **La hauteur :** Elle est liée à la fréquence. Un son "grave" possède une fréquence basse, tandis qu'un son "aigu" possède une fréquence élevée. L'oreille humaine saine perçoit des fréquences allant de <m size="12">20 Hz</m> à <m size="12">20 000 Hz</m>. | * **La hauteur :** Elle est liée à la fréquence. Un son "grave" possède une fréquence basse, tandis qu'un son "aigu" possède une fréquence élevée. L'oreille humaine saine perçoit des fréquences allant de <m 12>20Hz</m> à <m 12>20000Hz</m>. |
| - **Le timbre :** C'est ce qui permet de distinguer deux instruments jouant la même note (même fréquence). Il dépend de la forme de l'onde (présence d'harmoniques). | * **Le timbre :** C'est ce qui permet de distinguer deux instruments jouant la même note (même fréquence). Il dépend de la forme de l'onde (présence d'harmoniques). |
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| ==== 3.2. Intensité sonore et niveau sonore ==== | ==== 3.2. Intensité sonore et niveau sonore ==== |
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| Il ne faut pas confondre l'intensité sonore <m size="12">I</m> (énergie transportée, en <m size="12">W . m^{-2}</m>) et le **niveau sonore** <m size="12">L</m>. | Il ne faut pas confondre l'intensité sonore <m 12>I</m> (énergie transportée, en <m 12>W.m^{-2}</m>) et le **niveau sonore** <m 12>L</m>. |
| Le niveau sonore <m size="12">L</m> s'exprime en **décibels** (<m size="12">dB</m>). C'est une échelle logarithmique (que vous étudierez plus en détail en terminale) qui correspond mieux à la sensibilité de notre oreille. | Le niveau sonore <m 12>L</m> s'exprime en **décibels** (<m 12>dB</m>). C'est une échelle logarithmique (que vous étudierez plus en détail en terminale) qui correspond mieux à la sensibilité de notre oreille. |
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| **Loi de sécurité :** Une exposition prolongée à des niveaux supérieurs à <m size="12">85 dB</m> présente un risque réel pour l'audition (destruction irréversible des cellules ciliées de l'oreille interne). | **Loi de sécurité :** Une exposition prolongée à des niveaux supérieurs à <m 12>85dB</m> présente un risque réel pour l'audition (destruction irréversible des cellules ciliées de l'oreille interne). |
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| ==== 3.3. Application corrigée : L'écholocalisation ==== | ==== 3.3. Application corrigée : L'écholocalisation ==== |
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| Un dauphin émet un clic sonore sous l'eau. Il reçoit l'écho de ce clic réfléchi par un poisson <m size="12">0,10 s</m> plus tard. La vitesse du son dans l'eau de mer est <m size="12">v_{eau} = 1500 m . s^{-1}</m>. À quelle distance se trouve le poisson ? | Un dauphin émet un clic sonore sous l'eau. Il reçoit l'écho de ce clic réfléchi par un poisson <m 12>0,10s</m> plus tard. La vitesse du son dans l'eau de mer est <m 12>v_{eau}=1500m.s^{-1}</m>. À quelle distance se trouve le poisson ? |
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| **Corrigé guidé :** | **Corrigé guidé :** |
| - Le signal fait un aller-retour. La distance parcourue par le son est donc <m size="12">D = 2 . d</m> (où <m size="12">d</m> est la distance dauphin-poisson). | * Le signal fait un aller-retour. La distance parcourue par le son est donc <m 12>D=2.d</m> (où <m 12>d</m> est la distance dauphin-poisson). |
| - On utilise la formule <m size="12">D = v . Delta t</m>. | * On utilise la formule <m 12>D=v.Delta t</m>. |
| - <m size="12">2 . d = 1500 . 0,10 = 150</m>. | * <m 12>2.d=1500.0,10=150</m>. |
| - <m size="12">d = 150 / 2 = 75</m>. | * <m 12>d=(150)/(2)=75</m>. |
| Le poisson se trouve à <m size="12">75 m</m> du dauphin. | Le poisson se trouve à <m 12>75m</m> du dauphin. |
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| Lorsqu'un rayon lumineux frappe une surface séparant deux milieux transparents différents (par exemple l'air et l'eau), deux phénomènes se produisent : | Lorsqu'un rayon lumineux frappe une surface séparant deux milieux transparents différents (par exemple l'air et l'eau), deux phénomènes se produisent : |
| - La **réflexion** : la lumière "rebondit" sur la surface et reste dans le premier milieu. | * La **réflexion** : la lumière "rebondit" sur la surface et reste dans le premier milieu. |
| - La **réfraction** : la lumière traverse la surface mais subit un changement de direction. | * La **réfraction** : la lumière traverse la surface mais subit un changement de direction. |
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| ==== 4.2. Les lois de Snell-Descartes ==== | ==== 4.2. Les lois de Snell-Descartes ==== |
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| Pour étudier ces phénomènes, on définit la **normale** (la droite perpendiculaire à la surface au point d'impact). | Pour étudier ces phénomènes, on définit la **normale** (la droite perpendiculaire à la surface au point d'impact). |
| Chaque milieu est caractérisé par un **indice de réfraction** <m size="12">n</m> (sans unité, avec <m size="12">n >= 1</m>). Pour l'air, <m size="12">n approx 1,00</m>. | Chaque milieu est caractérisé par un **indice de réfraction** <m 12>n</m> (sans unité, avec <m 12>n>=1</m>). Pour l'air, <m 12>n approx 1,00</m>. |
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| **Deuxième loi de Snell-Descartes pour la réfraction :** | **Deuxième loi de Snell-Descartes pour la réfraction :** |
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| <m size="12">n_1 . sin(i_1) = n_2 . sin(i_2)</m> | <m 12>n_1.sin(i_1)=n_2.sin(i_2)</m> |
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| * <m size="12">n_1 et n_2</m> sont les indices des milieux 1 et 2. | * <m 12>n_1</m> et <m 12>n_2</m> sont les indices des milieux 1 et 2. |
| | * <m 12>i_1</m> est l'angle d'incidence (entre le rayon incident et la normale). |
| * <m size="12">i_1</m> est l'angle d'incidence (entre le rayon incident et la normale). | * <m 12>i_2</m> est l'angle de réfraction (entre le rayon réfracté et la normale). |
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| * <m size="12">i_2</m> est l'angle de réfraction (entre le rayon réfracté et la normale). | |
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| **Conseil de professeur :** Vérifiez toujours que votre calculatrice est en mode "Degrés" avant de calculer un sinus ! | **Conseil de professeur :** Vérifiez toujours que votre calculatrice est en mode "Degrés" avant de calculer un sinus ! |
| ==== 4.3. Application corrigée : Passage air-verre ==== | ==== 4.3. Application corrigée : Passage air-verre ==== |
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| Un rayon passe de l'air (<m size="12">n_1 = 1,00</m>) vers un bloc de verre (<m size="12">n_2 = 1,50</m>) avec un angle d'incidence de <m size="12">30^circ</m>. Calculer l'angle de réfraction. | Un rayon passe de l'air (<m 12>n_1=1,00</m>) vers un bloc de verre (<m 12>n_2=1,50</m>) avec un angle d'incidence de <m 12>30^circ</m>. Calculer l'angle de réfraction. |
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| **Corrigé guidé :** | **Corrigé guidé :** |
| | * On pose la loi : <m 12>1,00.sin(30^circ)=1,50.sin(i_2)</m>. |
| - On pose la loi : <m size="12">1,00 . sin(30^circ) = 1,50 . sin(i_2)</m>. | * On sait que <m 12>sin(30^circ)=0,5</m>. |
| - On sait que <m size="12">sin(30^circ) = 0,5</m>. | * Donc <m 12>0,5=1,50.sin(i_2)</m>, soit <m 12>sin(i_2)=(0,5)/(1,5)=0,333</m>. |
| - Donc <m size="12">0,5 = 1,50 . sin(i_2)</m>, soit <m size="12">sin(i_2) = 0,5 / 1,5 = 0,333</m>. | * En utilisant la fonction <m 12>arcsin</m> ou <m 12>sin^{-1}</m> sur la calculatrice, on trouve <m 12>i_2 approx 19,5^circ</m>. |
| - En utilisant la fonction <m size="12">arcsin</m> ou <m size="12">sin^{-1}</m> sur la calculatrice, on trouve <m size="12">i_2 approx 19,5^circ</m>. | |
| Le rayon se rapproche de la normale car il passe dans un milieu plus "réfringent". | Le rayon se rapproche de la normale car il passe dans un milieu plus "réfringent". |
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| Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces dont l'une au moins n'est pas plane. En Seconde, nous étudions les **lentilles convergentes** (bords fins, centre épais). | Une lentille est un milieu transparent limité par deux surfaces dont l'une au moins n'est pas plane. En Seconde, nous étudions les **lentilles convergentes** (bords fins, centre épais). |
| - Le **foyer image** <m size="12">F prime</m> est le point où convergent des rayons arrivant parallèlement à l'axe optique. | * Le **foyer image** <m 12>F prime</m> est le point où convergent des rayons arrivant parallèlement à l'axe optique. |
| - La **distance focale** <m size="12">f prime</m> est la distance entre le centre optique <m size="12">O</m> et le foyer image <m size="12">F prime</m> : <m size="12">f prime = OF prime</m>. Elle s'exprime en mètres (<m size="12">m</m>). | * La **distance focale** <m 12>f prime</m> est la distance entre le centre optique <m 12>O</m> et le foyer image <m 12>F prime</m> : <m 12>f prime=overline{OF prime}</m>. Elle s'exprime en mètres (<m 12>m</m>). |
| - La **vergence** <m size="12">C</m> d'une lentille est l'inverse de sa distance focale : <m size="12">C = 1 / {f prime}</m>. Elle s'exprime en **dioptries** (<m size="12">delta</m>). | * La **vergence** <m 12>C</m> d'une lentille est l'inverse de sa distance focale : <m 12>C=(1)/(f prime)</m>. Elle s'exprime en **dioptries** (<m 12>delta</m>). |
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| ==== 5.2. La dispersion par un prisme ==== | ==== 5.2. La dispersion par un prisme ==== |
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| L'étude de la lumière nous permet de connaître la composition des étoiles : | L'étude de la lumière nous permet de connaître la composition des étoiles : |
| - **Spectre continu :** Émis par un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression). Plus le corps est chaud, plus le spectre s'enrichit vers le violet. | * **Spectre continu :** Émis par un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression). Plus le corps est chaud, plus le spectre s'enrichit vers le violet. |
| - **Spectre de raies d'émission :** Émis par un gaz à basse pression sous l'effet d'une excitation électrique. Chaque élément chimique possède sa propre signature (ses propres raies). | * **Spectre de raies d'émission :** Émis par un gaz à basse pression sous l'effet d'une excitation électrique. Chaque élément chimique possède sa propre signature (ses propres raies). |
| - **Spectre de raies d'absorption :** Obtenu lorsqu'une lumière blanche traverse un gaz froid. Des raies noires apparaissent là où le gaz a absorbé ses propres radiations caractéristiques. | * **Spectre de raies d'absorption :** Obtenu lorsqu'une lumière blanche traverse un gaz froid. Des raies noires apparaissent là où le gaz a absorbé ses propres radiations caractéristiques. |
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| C'est ainsi que nous savons que le Soleil contient de l'hydrogène et de l'hélium sans jamais y avoir envoyé de sonde ! | C'est ainsi que nous savons que le Soleil contient de l'hydrogène et de l'hélium sans jamais y avoir envoyé de sonde ! |
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| * Un **signal** transporte une information sans transport de matière. | * Un **signal** transporte une information sans transport de matière. |
| * Le **son** est une onde mécanique nécessitant un milieu matériel (<m size="12">v_{air} approx 340 m . s^{-1}</m>). | * Le **son** est une onde mécanique nécessitant un milieu matériel (<m 12>v_{air} approx 340m.s^{-1}</m>). |
| * La **lumière** est une onde électromagnétique pouvant se propager dans le vide (<m size="12">c approx 3,00 . 10^8 m . s^{-1}</m>). | * La **lumière** est une onde électromagnétique pouvant se propager dans le vide (<m 12>c approx 3,00.10^8m.s^{-1}</m>). |
| * Un phénomène est **périodique** s'il se répète à intervalles de temps réguliers appelés **période** <m size="12">T</m>. | * Un phénomène est **périodique** s'il se répète à intervalles de temps réguliers appelés **période** <m 12>T</m>. |
| * La **fréquence** <m size="12">f</m> est le nombre de répétitions par seconde : <m size="12">f = (1)/(T)</m>. | * La **fréquence** <m 12>f</m> est le nombre de répétitions par seconde : <m 12>f=(1)/(T)</m>. |
| * L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre <m size="12">20 Hz</m> et <m size="12">20 000 Hz</m>. | * L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre <m 12>20Hz</m> et <m 12>20000Hz</m>. |
| * La **réfraction** est le changement de direction de la lumière lors du passage d'un milieu à un autre, régie par <m size="12">n_1 . sin(i_1) = n_2 . sin(i_2)</m>. | * La **réfraction** est le changement de direction de la lumière lors du passage d'un milieu à un autre, régie par <m 12>n_1.sin(i_1)=n_2.sin(i_2)</m>. |
| * Une **lentille convergente** est caractérisée par sa distance focale <m size="12">f prime</m> et sa vergence <m size="12">C = (1)/(f prime )</m>. | * Une **lentille convergente** est caractérisée par sa distance focale <m 12>f prime</m> et sa vergence <m 12>C=(1)/(f prime)</m>. |
| * La lumière blanche est **polychromatique** ; elle peut être décomposée en un spectre par un prisme. | * La lumière blanche est **polychromatique** ; elle peut être décomposée en un spectre par un prisme. |
| * Les **spectres de raies** constituent la signature chimique des éléments présents dans une source ou un gaz. | * Les **spectres de raies** constituent la signature chimique des éléments présents dans une source ou un gaz. |
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