Ondes électromagnétiques — Cours Physique Bac SMB

Dans le programme du Bac SMB

Coefficient 7 en Bac SMB. Ce chapitre relie la partie « ondes » à la modulation d'amplitude et fait le pont avec les Sciences de l'Ingénieur (coefficient 3), où les liaisons de données et les transmissions hertziennes sont étudiées côté systèmes. Le classement du spectre par fréquence croissante est un attendu de cours.

À l'épreuve

Questions de cours et applications directes : situer une onde (radio, micro-onde, IR, visible, UV, X, γ) dans le spectre, calculer λ = c/f ou f = c/λ, exploiter un aller-retour (radar, sonar hertzien) avec d = c·Δt/2, justifier qu'une onde EM se propage dans le vide contrairement à une onde mécanique.

Objectifs d'apprentissage

Décrire une onde électromagnétique comme la propagation couplée des champs E et B
Savoir qu'une onde EM se propage dans le vide à c = 3,00 × 10⁸ m/s
Classer les domaines du spectre électromagnétique par fréquence (ou longueur d'onde)
Utiliser λ = c/f pour toute onde électromagnétique
Exploiter une mesure de durée d'aller-retour : d = c·Δt/2

Notions clés

Nature et propagation

Une onde électromagnétique est la propagation couplée d'un champ électrique

\vec E

et d'un champ magnétique

\vec B

variables. Elle ne nécessite aucun milieu matériel : dans le vide, elle se propage à

c=3{,}00\times10^{8}\ \text{m/s}

, quelle que soit sa fréquence.

Spectre électromagnétique

Par fréquence croissante (longueur d'onde décroissante) : ondes radio → micro-ondes → infrarouge → visible → ultraviolet → rayons X → rayons γ. L'énergie transportée par le rayonnement croît avec la fréquence. Relation universelle :

\lambda=\dfrac{c}{f}

Ondes hertziennes et information

Les ondes hertziennes (radio, TV, téléphonie, Wi-Fi) servent à transmettre l'information à distance. Elles se propagent en ligne droite, se réfléchissent (couches ionisées, obstacles métalliques) et se diffractent quand un obstacle a une taille de l'ordre de

\lambda

Erreurs fréquentes

Croire qu'une onde électromagnétique a besoin d'un support matériel : elle se propage dans le vide, contrairement à une onde mécanique.

Classer le spectre à l'envers : c'est la fréquence (donc l'énergie) qui augmente des ondes radio vers les rayons γ.

Confondre longueur d'onde et portée d'un émetteur : la portée dépend de la puissance et de l'environnement, pas seulement de λ.

Exemple corrigé

Énoncé

Une station de radio FM émet sur la fréquence

f=100\ \text{MHz}

. Calculer la longueur d'onde dans l'air et préciser le domaine du spectre.

Correction

Relation.

\lambda=\dfrac{c}{f}

avec

c=3{,}00\times10^{8}\ \text{m/s}

Application.

\lambda=\dfrac{3{,}00\times10^{8}}{100\times10^{6}}=3{,}0\ \text{m}

Domaine.

f=100\ \text{MHz}

\lambda=3{,}0\ \text{m}

: ce sont des ondes radio (bande VHF).

Le cours, puis l'entraînement.

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3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Un four à micro-ondes utilise un rayonnement de longueur d'onde

\lambda=12\ \text{cm}

. Calculer la fréquence correspondante.

Voir la correction

f=\dfrac{c}{\lambda}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{0{,}12}=2{,}5\times10^{9}\ \text{Hz}=2{,}5\ \text{GHz}

Exercice 2

Moyen

Classer par fréquence croissante : une onde radio (

\lambda\approx1\ \text{km}

), un rayonnement infrarouge (

\lambda\approx10\ \mu\text{m}

), une lumière rouge (

\lambda\approx700\ \text{nm}

), un rayon X (

\lambda\approx1\ \text{nm}

Voir la correction

f=\dfrac{c}{\lambda}

: plus

\lambda

est petit, plus

f

est grand. Donc, par fréquence croissante : onde radio

<

infrarouge

<

lumière rouge

<

rayon X.

Exercice 3

Difficile

Un radar émet une impulsion électromagnétique et reçoit l'écho renvoyé par un avion après une durée

\Delta t=60\ \mu\text{s}

. Déterminer la distance de l'avion.

Voir la correction

L'onde fait un aller-retour :

2d=c\,\Delta t

, donc

d=\dfrac{c\,\Delta t}{2}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}\times60\times10^{-6}}{2}=9{,}0\times10^{3}\ \text{m}=9{,}0\ \text{km}

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Questions fréquentes

Une onde électromagnétique a-t-elle besoin d'un milieu pour se propager ?

Non. C'est la différence fondamentale avec une onde mécanique. Une onde EM se propage dans le vide (la lumière du Soleil nous parvient à travers l'espace vide) à la vitesse c = 3,00 × 10⁸ m/s.

Qu'est-ce qui distingue les domaines du spectre électromagnétique ?

Uniquement la fréquence (et donc la longueur d'onde λ = c/f et l'énergie du rayonnement). Des ondes radio aux rayons γ, la fréquence augmente d'environ vingt ordres de grandeur.

Pourquoi utilise-t-on des ondes hertziennes pour la radio ?

Elles se propagent loin dans l'air, traversent les obstacles non métalliques, se réfléchissent sur les couches ionisées de l'atmosphère et peuvent porter une information par modulation. Le choix de la fréquence fixe la portée et l'encombrement de l'antenne.