Qu'est ce qu'une longueur d'onde au niveau microscopique ?

[Samsoum41]

Bonjour,

Je suis actuellement en 1ère année de classe préparatoire MPSI et lors d'un TP de physique, nous devions mesurer la vitesse du son à partir d'un montage constitué d'émetteurs/récepteurs et oscilloscope.
Cependant en dehors de l'objectif du TP je me pose énormément de questions à propos des ondes à présent, par exemple, l'oscillateur reçoit ( si j'ai compris ) un signal électrique plus ou moins intense au cours du temps ce qui nous donne la sinusoïde qui est affichée. Mais le récepteur à quoi juge-t-il quand il faut envoyer un signal plus ou moins intense ? Qu'est ce qu'il reçoit ?
Après plusieurs recherches sur le fonctionnement d'un récepteur sonore et sur la propagation d'une ultrason j'ai cru comprendre qu'en fait l'onde en question correspond à la propagation d'un "choc" ( une perturbation i.e la définition d'une onde ) qui a l'échelle atomique se propage par une suite de va et vient des atomes qui se heurtent dans une direction ( onde longitudinale ) et qui arrivent de cette façon au récepteur.

Et quant au le récepteur consisterait en une membrane qui percevrait la "pression" exercé par ce flux d'atome et jugerait ainsi en fonction de cette intensité la lorsqu'il faut envoyer un signal électrique intense.
De ce fait, la période affichée par l'oscilloscope correspondrait au temps que met l'atome pour faire cette espèce de "va et viens" contre la membrane du récepteur. Donc la longueur d'onde, qui doit être la distance que parcourt l'onde sur la période T serait la distance que parcourt un atome quelconque subissant la perturbation ( le choc, l'onde ) dans ce "va et viens" ?

Or c'est impossible parce qu'on peut trouver des longueurs d'onde de l'ordre du cm, et ce va et viens correspond à la propulsion d'un atome jusqu'à ce qu'il en rencontre un autre qu'il expulsera en même temps qu'il repart en sens inverse. Il ne peut pas y avoir aucun atome sur un espace d'1 cm .. De plus ça voudrait dire que les atomes sont à égales distances les uns des autres et c'est faux ..
Donc je bloque totalement sur la représentation de la longueur d'onde à l'échelle microscopique ou atomique.

Est ce que quelqu'un pourrait m'expliquer d'abord mes erreurs dans mon raisonnement ou m'expliquer comment peut se représenter la longueur d'onde ( la longueur d'1 onde ?)?
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[LPFR]

Bonjour.
Quand vous voulez « voir » une onde, pensez aux vagues dans l’eau.
Vous verrez ce qui est la vitesse, la longueur d’onde la fréquence et l’amplitude.

Même si le son dans l’air est une onde un peu différente des vagues sur l’eau.

Il ne faut pas voir le son comme un déplacement d’atomes ou molécules. Ils se déplacent, mais comme ils se déplacent quand il y a du vent : comme un ensemble.
Il y a bien toutes les molécules d’une parcelle d’air qui font des mouvements de va et vient dues aux variations de pression et qui propagent ces variations de pression.

Il ne faut pas oublier que les mouvements des molécules dus au son, sont ridiculement lents par rapport aux mouvements ordinaires dus à l’agitation thermique des molécules.

C’est cette variation de pression qui faut bouger votre tympan et la membrane du microphone. Et le microphone crée un signal électrique proportionnel, soit au déplacement de cette membrane, soit à sa vitesse de déplacement.
Au revoir.

[Samsoum41]

En fait avec des vagues je discerne bien la longueur d'onde mais les vagues, elles, ont une forme assez sinusoïdale de profil qui nous permet de visualiser l'amplitude de chaque vague alors que les atomes avec le son n'ont pas l'air de se déplacer comme une vague, c'est à dire en montant-descendant dans une direction, et ne me permet donc pas de visualiser la longueur d'onde dans ce cas. Comment je pourrais la visualiser dans ce cas pour le mouvement d'une onde sonore dans l'air ?

Quant au microphone, c'est de la variation de pression de l'air contre la membrane dont vous parlez ? Et la "pression" de l'air à quoi correspond-elle à l'échelle atomique ? C'est une sorte de densité d'atome dans une parcelle d'air ? Est ce que ça rejoins les va et viens auquel je pensais précédemment ( Les zones où les atomes vont "s'entrechoquer" correspondant à une parcelle dense et les zones, qui à l'inverse sont "creuses" à cause du départ de l'atome présent à l'emplacement, correspondent aux zones moins denses ) ?

Merci.

[albanxiii]

Bonjour,

Comment je pourrais la visualiser dans ce cas pour le mouvement d'une onde sonore dans l'air ?

C'est une onde longitudinale, vous pouvez l'imaginer comme l'onde qui se propage dans un ressort https://www.youtube.com/watch?v=bxV9FZV_Uvs

(pour un son il y a plusieurs oscillations qui se succèdent, sur cette vidéo il n'y en a qu'une).

@+

[A voir en vidéo sur Futura]

[phys4]

Quant au microphone, c'est de la variation de pression de l'air contre la membrane dont vous parlez ? Et la "pression" de l'air à quoi correspond-elle à l'échelle atomique ? C'est une sorte de densité d'atome dans une parcelle d'air ? Est ce que ça rejoins les va et viens auquel je pensais précédemment ( Les zones où les atomes vont "s'entrechoquer" correspondant à une parcelle dense et les zones, qui à l'inverse sont "creuses" à cause du départ de l'atome présent à l'emplacement, correspondent aux zones moins denses ) ?

La pression locale est liée à la densité des molécules, la pression locale est une moyenne statistique qui n'a de sens, que pour une dimension grande devant les distances des molécules.
La vitesse de vibration locale ne peut être un mouvement d'ensemble qui si la longueur d'onde est grande devant le libre parcours moyen des molécules.
C'est nécessaire pour que la vitesse et la pression se transmettent d'une partie de l'onde à la suivante.

Si la longueur d'onde devient trop courte (ou le gaz trop raréfié) l'onde ne se transmet pas, elle est rapidement absorbée car les vibrations sont transformées en mouvements erratiques des molécules, donc en chaleur.
Sur le plan macroscopique, cette atténuation est associée à la conductibilité thermique du gaz.

[Quarkonium]

Salut,

(croisement avec albanxiii et phys4)

A la base, une onde est une perturbation (réversible) d'une ou plusieurs propriétés physiques d'un milieu qui se propage dans ce milieu. Lorsque cette onde est périodique (plusieurs perturbations qui se suivent à intervalles réguliers), on peut définir les caractéristiques telles que la fréquence et la longueur d'onde.

On distingue deux cas particuliers : lorsque la direction de la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, on dit que l'onde est transversale. Un exemple est la vague à la surface de l'eau : le niveau de la surface est perturbé verticalement, et cette perturbation se déplace horizontalement.
Lorsque la direction de la perturbation est parallèle à celle de la propagation, on parle d'onde longitudinale. C'est le cas des ondes acoustiques dont tu parles : la perturbation est le déplacement (vibration) des molécules, qui s'effectue dans la même direction que la propagation de cette perturbation. On parle aussi d'ondes de compression-dilatation.

Pour visualiser la longueur d'onde, tu dois regarder l'écart entre deux points de l'espace pour lesquels la perturbation est la même (en général on cherche les maxima ou les minima). Par exemple, pour la vague, tu vas regarder la distance entre deux crêtes de vague (maxima) ou entre deux creux (minima). Pour l'onde sonore, le déplacement des molécules va entraîner, comme tu l'as dit, une variation locale de la pression. Tu peux donc évaluer la distance entre deux maxima (ou minima) de pression pour déterminer la longueur d'onde.

Pour finir, quelques petites précisions sur la pression. Au sens strict, la pression exercée sur un corps correspond au à la force exercée sur ce corps par unité de surface (en N/m²). Dans l'air, la pression correspond donc à la force par unité de surface exercée par l'atmosphère sur un corps plongé dedans.
Comme tu peux facilement le comprendre, du fait que les atomes se repoussent entre eux, plus la densité d'un milieu est élevée, plus la pression va être élevée (sans faire varier la température).
Ainsi, comme tu l'as intuité, une onde acoustique va entraîner une surdensité locale de molécules dans l'air (et donc une surpression), suivie par une sous-densité (et une sous-pression) par rapport à la densité (et pression) moyenne (et ce de façon répétée pour une onde périodique), cette perturbation se déplaçant à la vitesse du son dans l'air (~340 m/s).

[LPFR]

Bonjour.
Petit détail, dans une vague, l’eau décrit des cercles ou des ellipses perpendiculaires à la surface et parallèles au sens de propagation.
Les vagues dans l’eau sont un cas particulier : elles forment une onde transversale et longitudinale en même temps.
Au revoir.