Huygens

Tu as peut-être déjà observé sur la plage comment les vagues d'eau rebondissent sur un rocher, mais continuent ensuite à se déplacer simplement, comme si le rocher n'avait jamais été là. Ce phénomène est dû au principe de Huygens. Si tu veux savoir comment ce principe fonctionne exactement et comment il agit sur les vagues, n'hésite pas à lire la suite.

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Table des mateères

    Principe de Huygens - explication

    Le principe de Huygens s'applique certes à tous les types d'ondes , y compris les vagues d'eau sur le lac, les ondes sonores et même la lumière. Mais qu'est-ce qu'une vague au juste et comment la caractérise-t-on?

    Principede Huygens- Physiqued'une onde

    Les ondes sont présentes partout : en acoustique, mécanique quantique, optique, électricité et dans tous les autres domaines de la physique. C'est pourquoi les ondes sont l'un des modèles les plus importants de la physique.

    Uneonde définit la propagation spatiale d'une vibration (mécanique) dans l'espace. Elle transporte de l'énergie et de l'impulsion, mais pas de matière.

    Si tu veux en savoir plus sur les propriétés fondamentales des vagues, vagues en général ou encore vibrations des vagues, consulte les explications correspondantes.

    Pour qu'une onde puisse se propager dans l'espace, les particules de l'onde doivent pouvoir osciller. De plus, elles doivent être reliées entre elles pour qu'une onde puisse se former. Une onde électromagnétique (par exemple la lumière) possède également unecomposante de champ électrique et magnétique , dont les vecteurs sont perpendiculaires entre eux.

    Consulte l'explication des ondes électromagnétiques si tu veux en savoir plus sur le sujet.

    Les ondes existent donc pratiquement partout dans la nature. Mais comment une onde est-elle décrite exactement et quelles sont les grandeurs physiques qui la caractérisent ?

    Une onde est définie par une longueur d'onde λ, une fréquence f et une direction de propagation s avec une vitesse c. La relation mathématique entre les grandeurs est la suivante :

    c =λ·f

    C'est ainsi que l'on décrit une onde. Mais dans quelle direction se déplace-t-elle et comment peut-on décrire la propagation et le mouvement de la vague dans l'espace ?

    Principe de Huygens - front d'onde et enveloppe

    Les fronts d'onde se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation des ondes .

    En principe, tu peux t'imaginer comme dans l'illustration 1.

    Unfront d'onde décrit les points d'une onde qui,répartis sur lasurface d'onde , possèdentles mêmes propriétés caractéristiques comme le temps de parcours etla vitesse .

    Le principe peut également être appliqué auxondes sphériques (circulaires) . Mais dans une vague circulaire, tous les points ont les mêmes caractéristiques, situés sur le même rayon à partir du centre. Lorsque la vague se propage, chaque point se déplace sur le même rayon et à la même vitesse :

    Comme tu peux le voir sur l'illustration 2, les fronts d'onde circulaires se déplacent vers l'extérieur. Comme illustré, les fronts d'onde sont ici aussi perpendiculaires à la direction de propagation.

    Maintenant, les bases sont traitées. Mais cela ne répond toujours pas à la question de savoir pourquoi la lumière ou les ondes continuent à se propager après un obstacle, comme si l'obstacle n'avait jamais existé.

    Principe de Huygens - Définition

    Le principe de Huygens a été proposé par le physicien néerlandais Christiaan Huygens en 1648 pour expliquer le comportement et la propagation de la lumière en tant qu'onde.

    Le principe de Huygens stipule que chaque point d'un front d'onde est un point de départ pour des ondes élémentaires circulaires. Celles-ci se déplacent comme le front d'onde initial, à la même vitesse et à la même fréquence, dans le même milieu de propagation.

    Un milieu de propagation est la substance dans laquelle les ondes se propagent et se déplacent. Le son se propage par exemple dans l'air, l'air est donc le milieu de propagation.

    Les ondes élémentaires individuelles interfèrent (se superposent) sur la base du principe de superposition (superposition de plusieurs ondes). L'interférence des ondes élémentaires crée un nouveau front d'onde, également connu sous le nom d'enveloppe.

    Si tu veux rafraîchir tes connaissances sur l'interférence et la superposition des ondes, n'hésite pas à regarder une explication à ce sujet !

    Chaque point du front d'onde peut émettre des ondes circulaires selon le principe de Huygens. Il n'est donc pas important de savoir à quel endroit du front de l'onde la vague rencontre un obstacle.

    Les ondes circulaires émises par les différents points du front d'onde sont appelées ondes élémentaires .

    Tu peux maintenant appliquer une tangente à chaque onde élémentaire. Celles-ci se superposent à leur tour pour former une nouvelle enveloppe du front d'onde. Le principe est encore une fois illustré dans l'image 3.

    Jusqu'ici tout va bien, mais pourquoi les vagues d'eau continuent-elles à se déplacer lorsqu'elles heurtent un rocher, comme si l'obstacle n'avait jamais existé ?

    Principe de Huygens - diffraction d'une vague

    Si la vague rencontre un obstacle, elle ne peut pas se déplacer comme ça. L'ouverture force la vague à se frayer un chemin à travers l'ouverture.

    Le processus est illustré de manière simplifiée dans l'image 4. La vague se dirige vers un obstacle, par exemple une poutre avec une fente au milieu. Dès que le front de l'onde atteint le mur, il est forcé de le traverser.

    Selon le principe de Huygens, les points de l'onde qui arrivent à l'ouverture émettent des ondes élémentaires. Celles-ci se propagent derrière l'ouverture, s'y rejoignent à nouveau et se superposent, elles sont donc diffractées.

    Ladiffraction est la propagation non rectiligne d'une onde, causée par un obstacle ou une ouverture. Le phénomène de la diffraction ne peut être décrit que dans l'image de la vague.

    On parle aussi souvent de "l'ombre géométrique" de la vague. Au niveau de la fente, les différents points de l'onde émettent des ondes élémentaires circulaires qui se réunissent à nouveau derrière l'ouverture, se superposent et résultent à nouveau en un front d'onde.

    Principe de Huygens - Réflexion et réfraction d'une onde

    La diffraction d'une onde est une propriété importante pour décrire le comportement des ondes. Outre la diffraction, le comportement des ondes peut être décrit de manière plus approfondie, par exemple par la réflexion ou la réfraction.

    Principe de Huygens - Réflexion

    Si la vague rencontre maintenant une surface plane, elle est réfléchie selon les lois de la physique.

    Ici aussi, le principe de Huygens peut être appliqué. Cependant, au lieu que les ondes se superposent derrière une ouverture, elles sont d'abord réfléchies sur le plan.

    La loi de la réflexion dit que l'angle d'incidence α et l'angle de sortie β doivent être identiques lors de la réflexion.

    Comme illustré dans l'image 5, l'onde vient d'en haut à gauche et atteint la surface plane à l'angle α.

    Selon la loi de la réflexion, la vague est réfléchie avec un angle β identique en valeur absolue. Après la réflexion, les ondes élémentaires se superposent à nouveau et l'onde continue à se déplacer, mais à l'angle α.

    La loi de la réflexion permet d'expliquer d'autres problèmes et principes de la physique. Tu trouveras des informations détaillées à ce sujet dans l'explication de la loi de réflexion.

    Considère maintenant la lumière comme un seul rayon lumineux. Si le rayon lumineux frappe la surface plane comme dans l'illustration 6, le premier point de l'acier émet des ondes élémentaires sphériques. Il en va de même pour les autres points qui rencontrent la surface.

    Plus le point d'impact actuel se déplace vers la gauche, plus le rayon des ondes élémentaires est grand. Après la réflexion, l'onde se propage sur le côté réfléchi du plan.

    Le rayon est à nouveau réfléchi selon la loi de la réflexion et donc toutes les ondes élémentaires émises de ses points de départ.

    Les ondes élémentaires se superposent comme dans la diffraction et il en résulte à nouveau un front d'onde, formé par l'enveloppe des ondes élémentaires individuelles. L'onde réfléchie se déplace ensuite avec la même vitesse de propagation et la même fréquence.

    Principe de Huygens - Réfraction

    Le principe de Huygens se produit également lorsque la lumière change de milieu. Par exemple, si la lumière passe de l'air à l'eau, sa direction de propagation change dès qu'elle passe dans l'eau.

    Dans l'illustration 7, une onde rencontre un autre milieu. Les fronts d'onde rencontrent la surface limite et émettent ensuite des ondes élémentaires. Les ondes élémentaires se superposent et forment un nouveau front d'onde. C'est différent de la réflexion, car maintenant l'onde est réfractée selon la loi de la réfraction.

    La réfraction d'une onde décrit le changement de la direction de propagation de l'onde lors du passage de la frontière entre deux milieux différents. Lors du passage, la direction et la vitesse de l'onde changent.

    En général, les ondes changent de taille caractéristique dès qu'elles entrent dans un milieu avec des indices de réfraction différents.

    Principe de Huygens - Loi de la réfraction

    L'indice de réfraction n décrit le rapport entre la longueur d'onde λ de l'onde dans le vide et celle du milieu comparé. Mathématiquement, l'indice de réfraction peut être exprimé par

    n = c0cM

    c0 et cM est la vitesse avant et après l'entrée dans le milieu.

    Lorsque l'onde entre dans un autre milieu, l'indice de réfraction change et par conséquent la vitesse de propagation. Le changement de vitesse modifie également le rayon des ondes élémentaires à l'interface et la lumière est réfractée.

    Le principe de superposition des ondes élémentaires est ici analogue à celui de la diffraction et de la réflexion, sauf qu'il ne s'agit pas d'une ouverture ou d'une surface plane, mais d'un milieu dans lequel l'onde pénètre. La loi de réfraction de Snellius décrit de combien la lumière est déviée dans ce processus.

    La loi de réfraction de Snellius décrit le changement de la vitesse de propagation en fonction d'un angle d'incidence α. Mathématiquement, la loi peut être décrite par :

    n1·sinα = n2·sinβ

    N1et N2 décrivent les indices de réfraction des deux milieux. Les angles d'incidence et de sortie sont représentés par α et β.

    Note que les angles sont toujours définis par rapport à la perpendiculaire. L'illustration 8 le montre encore une fois de manière imagée. La lumière frappe le milieu et est réfractée vers la perpendiculaire.

    La réfraction ne se produit pas seulement dans l'eau ou dans d'autres liquides. L'explication de la loi de la réfraction te montre d'autres exemples de réfraction.

    On voit aussi clairement que les deux angles α et β ne sont maintenant plus identiques comme dans la loi de la réflexion.

    Selon la loi de Snellius, l'onde est réfractée et se propage après la réfraction avec un angle β (voir illustration 8).

    Que la lumière soit réfractée vers le fil à plomb ou qu'elle s'en éloigne, cela dépend des deux indices de réfraction des milieux. Comme l'air a un indice de réfraction plus faible que l'eau, la lumière est réfractée vers la perpendiculaire.

    Voilà l'essentiel de ce que tu dois savoir sur le principe de Huygens et sur les ondes. Il est maintenant temps de regarder quelques exemples de la vie quotidienne.

    Principe de Huygens - exemple

    Le comportement des vagues peut être observé partout. C'est pourquoi le modèle ondulatoire est considéré comme l'une des bases les plus importantes de la physique. Mais où peut-on observer le principe de Huygens dans la nature ?

    Exemple du principe de Huygens - vagues d'eau

    L'application du principe de Huygens aux vagues se produit plus souvent dans la nature que tu ne le penses peut-être. Comme mentionné au début, il se produit par exemple dans les vagues d'eau.

    Lorsque les vagues d'eau rencontrent un rocher, le front de la vague est brisé. Selon le principe de Huygens, des ondes élémentaires sont à nouveau émises et un nouveau front d'onde est créé. Dans l'illustration 10, tu peux aussi bien voir comment le nouveau front d'onde continue simplement à avancer, comme si le rocher n'avait jamais existé.

    Principe de Huygens Vagues d'eau Exemple StudySmarterIllustration 9 : Diffraction sur la rocheSource : pixabay.com3

    Exemple du principe de Huygens - arc-en-ciel

    Le principe est également bien visible dans un arc-en-ciel. En effet, dans un arc-en-ciel, la lumière rencontre les gouttes d'eau dans l'air et est réfractée par celles-ci. Comme les différentes longueurs d'onde de l'arc-en-ciel sont réfractées différemment, celui-ci se compose de différentes couleurs.

    Principe de Huygens Arc-en-ciel Exemple StudySmarterIllustration 10 : Réfraction de la lumière à l'exemple d'un arc-en-cielSource : pixabay.com4

    Lors de la réfraction des ondes, plus la longueur d'onde est petite, plus l'onde est réfractée. Dans le cas de la lumière, la lumière bleue est donc plus fortement réfractée que la lumière rouge.

    Ces exemples sont tous deux des phénomènes naturels que tu as certainement déjà observés. Mais il existe aussi d'autres applications qui utilisent le principe de Huygens. L'une d'entre elles est l'expérience de la double fente.

    Exemple du principe de Huygens - Expérience de la double fente

    Un autre exemple est l'expérience de la double fente, dans laquelle la lumière est projetée sur deux fentes et un modèle d'interférence se produit. La lumière est diffractée lorsqu'elle atteint les fentes. Au niveau de la fente, les points individuels émettent des ondes élémentaires circulaires, comme pour la vague d'eau. Les ondes se superposent et forment un nouveau front d'onde derrière la fente par interférence. La nouvelle onde formée peut alors être observée sur un écran.

    Si tu souhaites approfondir l'expérience de la double fente, n'hésite pas à consulter une explication à ce sujet.

    Principe de Huygens - l'essentiel

    • Une onde définit la propagation spatiale d'une vibration (mécanique) dans l'espace. Elle transporte de l'énergie et de l'impulsion, mais pas de matière.
    • Les ondes sontdéfiniespar unelongueur d'onde λ, unefréquence f et unedirection de propagation s avec vitesse c.
    • Le principe de Huygens stipule que chaque point d'un front d'onde est un point de départ pour des ondes élémentaires circulaires.
    • Les différentes ondes élémentaires interfèrent (se superposent) sur la base du principe de superposition (superposition de plusieurs ondes) et forment un nouveau front d'onde, également appelé enveloppe.
    • Un front d'onde décrit les points d'une onde qui, répartis sur la surface de l'onde, possèdent les mêmes propriétés caractéristiques.
    • Ladiffraction est la propagation non rectiligne d'une onde, causée par un obstacle ou une ouverture.
    • Lors de la réflexion , l'onde est réfléchie selon la loi de la réflexion et, par conséquent, toutes les ondes élémentaires émises de ses points de départ.
    • La réfraction d'une onde décrit le changement de direction de la propagation de l'onde lors de la transition entre deux milieux différents.

    Preuves

    1. www.physik-im-unterricht.de : Principe de Huygens 2 (10.08.22)
    2. Fokus Physik : S2 (2014). Cornelsen
    3. pixabay.com : Rocks Ocean Waves. (23.08.22)
    4. pixabay.com : Chute d'eau de l'arc-en-ciel de la mer. (23.08.22)
    Questions fréquemment posées en Huygens
    Qui était Christiaan Huygens?
    Christiaan Huygens était un scientifique et mathématicien néerlandais du XVIIe siècle, célèbre pour ses contributions à la physique, l'astronomie et la mécanique.
    Quelles sont les découvertes majeures de Huygens?
    Les découvertes majeures de Huygens incluent la théorie ondulatoire de la lumière, la construction du premier télescope à vision grand-angle et la découverte de la lune Titan de Saturne.
    Quel est le lien entre Huygens et Histoire-Géographie?
    Le lien entre Huygens et Histoire-Géographie réside dans ses contributions à la cartographie céleste et les connaissances géographiques de l'époque, notamment grâce à ses travaux sur les télescopes et l'astronomie.
    Comment Huygens a-t-il contribué à la science moderne?
    Huygens a contribué à la science moderne en proposant des théories et des inventions révolutionnaires, comme la théorie ondulatoire de la lumière et l'horloge à pendule, qui ont permis d'améliorer la précision des mesures et la compréhension du monde naturel.
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