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La fréquence, telle qu’utilisée en physique, fait référence au nombre d’ondes qui peuvent passer à un point fixe dans une période donnée. Par exemple, si une onde prend ½ seconde pour passer par un certain point, la fréquence de cette onde est de 2 par seconde. Cela peut être soit sous la forme de fréquences radio qui fonctionnent sous la forme d’ondes radio, soit même la différence de fréquences lumineuses. La fréquence est responsable des variations de la musique, du son et des couleurs.
Termes clés relatifs à la fréquence en physique
Lorsque vous travaillez avec la fréquence, vous rencontrerez plusieurs termes et concepts. Voici une répartition de ces termes :
Oscillation : Se produit lorsqu’une onde se déplace d’avant en arrière régulièrement et à plusieurs reprises. Les variations répétitives se situent le long du point d’équilibre. L’oscillation est un mouvement harmonique et périodique. La fréquence peut également être décrite comme le nombre d’oscillations par unité de temps. Cycle : un cycle se produit lorsqu’une particule oscillante change de direction vers son point d’origine lorsqu’elle se déplace à partir d’un certain point dans un ordre spécifique. Cela se produit généralement d’une position d’équilibre stable au déplacement maximal et de retour à l’équilibre stable. Longueur d’onde : la longueur d’onde est la distance entre deux crêtes successives. La fréquence et la longueur d’onde sont inversement proportionnelles. Plus la fréquence d’un signal est élevée, plus la longueur d’onde est courte. Période : la période est le temps qu’une onde met pour faire une oscillation complète. Dans les vagues longitudinales, la période est l’intervalle entre deux vagues, et pour une vague transversale, c’est le temps que la vague met pour compléter un cycle complet depuis le creux, la crête, puis retour au creux. Résonance : l’univers est constamment en mouvement, même si la plupart des gens ne le voient pas de cette façon. Pour les objets solides, ce mouvement se présente sous la forme de vibrations. La fréquence de résonance est la fréquence propre à laquelle l’objet vibre à l’amplitude maximale. Il est observé dans des objets en équilibre avec des forces agissantes et peut vibrer plus longtemps dans des conditions parfaites. Mouvement d’onde : ce mouvement harmonique transporte l’énergie d’un endroit à un autre sans déplacer la matière. La fréquence des ondes ne change pas lorsqu’une onde se déplace d’un milieu à un autre. Interférences : des interférences se produisent lorsque des ondes radio indésirables sur la même fréquence entrent en collision, perturbant le signal de votre appareil. Cela peut affecter la réception ou la qualité du son et de l’image de l’équipement. Diffraction : la diffraction fait passer les ondes à travers les obstacles et les objets solides. Vous pouvez propager n’importe quelle forme d’énergie à travers les ondes. La diffraction des ondes lumineuses a des applications plus pratiques dans la technologie moderne, comme les hologrammes. Les fréquences plus élevées ont une longueur d’onde plus courte, ce qui les rend plus sensibles à la diffraction des bords. Effet Doppler : L’effet Doppler se produit lorsqu’il y a un changement dans la fréquence d’onde de la source lorsque l’onde se déplace par rapport à un observateur stationnaire et le dépasse. Le son en mouvement envoie des ondes sonores à des fréquences constantes. Onde transversale : Une onde transversale est une onde dont le mouvement de vibration est perpendiculaire à la direction dans laquelle l’onde se déplace. Ils ont généralement une fréquence élevée avec de nombreuses crêtes passant par la pointe.
La formule de fréquence
Les vagues plus lentes, telles que les vagues de surface des océans, sont généralement décrites par la période des vagues plutôt que par la fréquence.
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En physique, il existe différentes formules de fréquence qui peuvent être utilisé pour calculer la fréquence d’une onde ou d’une oscillation, en fonction des variables connues.
Formule 1 : La formule de fréquence en termes de temps est donnée par :
Fréquence (f)=nombre de cycles (N) ÷ temps (T)
La fréquence est mesurée en unités de hertz (Hz), qui représentent le nombre de cycles par seconde. Par exemple, si un objet vibrant effectue 10 cycles en 2 secondes, la fréquence serait:
Fréquence (f)=10 cycles ÷ 2 secondes=5 Hz
Formule 2 : La formule de fréquence en termes de vitesse d’onde et de longueur d’onde est donnée comme :
Fréquence (f)=vitesse d’onde (𝜈) ÷ longueur d’onde (λ)
Formule 3 : La formule de fréquence en termes de fréquence angulaire est donnée comme suit :
f=fréquence angulaire (ω)/2π
Pour bien comprendre la fréquence, examinons son fonctionnement. Voici comment la fréquence fonctionne dans divers contextes.
Mouvement et énergie harmoniques
Le mouvement harmonique se produit lorsqu’il y a une vibration périodique, comme celle d’une corde de violon, dans laquelle les mouvements sont symétriques à le point d’équilibre. Ce type de vibration peut soit avoir une fréquence et une amplitude, soit être une combinaison de différentes composantes appelées harmoniques.
Le mouvement harmonique est aussi appelé mouvement périodique. L’oscillation et le mouvement des vagues peuvent être utilisés comme exemples parfaits de mouvement harmonique.
Période et fréquence
Une période est directement liée à la fréquence. Pour une onde transversale, la période est le temps nécessaire pour faire une oscillation complète. Pour une onde longitudinale, la période est l’intervalle entre deux vagues successives. Cette valeur est exprimée en secondes.
La fréquence est le nombre de cycles par seconde dans une oscillation et le nombre d’ondes passant par un point donné par seconde dans un mouvement ondulatoire. Elles sont appelées Hertz, désignées par”Hz”. Les fréquences supérieures sont exprimées en KiloHertz (KHz), représentant 1 000 cycles par seconde.
Mouvement d’onde
Le mouvement des vagues est harmonique et peut être utilisé pour transporter de l’énergie. L’énergie se propage d’un endroit à un autre sans déplacer aucune matière.
C’est le nombre de vibrations faites par seconde par n’importe quelle particule moyenne, puisque la fréquence d’une onde dépend de la source produisant le mouvement ondulatoire. Cela permet à l’onde de se déplacer d’un milieu à un autre sans changer la fréquence.
Amplitude
Le déplacement maximal de toute particule du milieu depuis sa position d’équilibre représente l’amplitude d’une onde. L’amplitude de l’onde est inversement proportionnelle à la fréquence.
L’amplitude diminue lorsque la fréquence augmente et vice versa. Une courte longueur d’onde produit une fréquence élevée avec une tonalité plus élevée car elle a des cycles plus rapides.
Énergie cinétique et potentielle
Les mouvements harmoniques et périodiques impliquent généralement une énergie qui peut être convertie en continu à partir d’une forme à un autre. L’énergie potentielle et l’énergie cinétique sont les deux énergies impliquées, l’énergie cinétique étant due au mouvement et l’énergie potentielle étant due à sa position et à son potentiel de mouvement.
Les conversions potentiel-cinétique se produisent lorsqu’un objet est à une distance raisonnable de son point d’équilibre stable et qu’il existe une force capable de le déplacer ; c’est-à-dire l’énergie potentielle. Lorsque l’objet commence à se déplacer vers l’équilibre, cette énergie potentielle est maintenant convertie en énergie cinétique.
Vibration
Les vibrations mécaniques, ou ondes sonores, peuvent être converties en un signal électronique répétitif par des transducteurs.
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Vibrer signifie simplement se déplacer d’avant en arrière sur place. La vibration est liée à l’oscillation car certaines vibrations sont produites lorsqu’un objet oscille.
Pour une molécule, toute matière vibre, et ces vibrations sont appelées fréquences naturelles. La fréquence naturelle dépend de la forme, de la composition et de la taille de la matière. Un bon exemple est la façon dont les ondes sonores peuvent briser le verre tant qu’elles atteignent leur fréquence naturelle.
Oscillation
L’oscillation est un type de mouvement harmonieux qui se produit périodiquement dans une ou plusieurs dimensions. Les oscillations sont de deux types, les oscillations à ressort et à pendule. Avec les deux, l’objet fait face à une perturbation, l’incitant à osciller d’avant en arrière à partir d’un équilibre stable. Un ressort oscille le long d’une trajectoire rectiligne, tandis qu’un pendule le fait le long d’un arc.
L’oscillation implique un cycle prédéterminé dans lequel le ressort ou le pendule suivra toujours. Cela implique principalement que la particule oscillante se déplace d’un point à un autre et revienne au point d’origine dans une direction qui ne cesse de s’inverser.
Dans le contexte, le cycle montre le mouvement du point d’équilibre stable à un autre point de déplacement maximal. Le point d’équilibre stable est au milieu du cycle, et deux points de déplacement maximal sont aux points les plus élevés et les plus bas pour le ressort ou les points les plus élevés de chaque côté du pendule.
Comment mesure-t-on la fréquence ?
Nous mesurons la fréquence de plusieurs façons. Les méthodes ont des précisions différentes et, si certaines sont simples, d’autres nécessitent un équipement spécialisé. Jetons un coup d’œil à certains d’entre eux.
Par comptage
Le comptage de la fréquence est l’une des méthodes les plus simples, tant que vous suivez les étapes appropriées. Il existe trois façons de compter la fréquence. Le premier consiste à compter les passages à zéro d’une période, et est simple pendant une seconde. Si vous en avez encore besoin, vous devez faire quelques ajustements mathématiques.
Par exemple, une période d’une demi-seconde vous oblige à multiplier votre compte par deux, alors qu’une période de 10 secondes vous demandera de diviser le compte par 10. Cette méthode est facile, mais à mesure que la fréquence diminue , vous comptez plus longtemps et la base de temps doit être exacte pour obtenir des lectures correctes.
Pour la deuxième méthode, nous mesurons avec précision la période d’un cycle complet. Cependant, pour que cette méthode soit efficace, il faut faire une mesure exacte de la période.
Pour la troisième méthode, on utilise une horloge de référence connue avec la fréquence à mesurer lors du comptage. Cette méthode peut se faire sans base de temps précise et vous garantira ainsi les meilleurs résultats. De plus, l’horloge de référence peut effectivement fournir une bonne résolution aux hautes et basses fréquences.
Utilisation d’un stroboscope
La vitesse du stroboscope est réglable à différentes fréquences.
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Un stroboscope porte également le nom de lumière stroboscopique ou de tachymètre stroboscopique. Un tachymètre stroboscopique peut mesurer la vitesse de rotation et la fréquence des pièces, composants et appareils vibrants et mobiles.
Vous pouvez régler la fréquence de flash de son impulsion lumineuse en fonction des paramètres mesurés, ce qui rend les lectures plus précises. Étant donné que les stroboscopes émettent des impulsions lumineuses à différentes fréquences, ils peuvent fournir des lectures de fréquence.
Pour mesurer la fréquence à l’aide d’un stroboscope, vous devez ajuster la fréquence jusqu’à ce que la roue s’arrête, indiquant qu’une seule impulsion lumineuse est émise à chaque rotation complète de la roue.
Tout ce que vous avez à faire maintenant est de lire la lecture de fréquence sur le stroboscope, qui sera égale à la fréquence que vous mesurez. Cette méthode est pratique dans les usines où vous pouvez trouver des équipements usés tels que des courroies, des ressorts et des vannes à l’aide d’une lumière stroboscopique.
Par compteur de fréquence
Un compteur de fréquence mesure le nombre de cycles d’oscillation de tout signal électromagnétique. Vous pouvez directement lire ces impulsions par seconde après la mesure. Alors, comment exactement une fréquence contre-mesure-t-elle la fréquence ?
La plupart utilisent un compteur qui compte les événements dans un intervalle de temps spécifique. Vous transférerez alors cette valeur à l’affichage, et le comptage reviendra à zéro.
Supposons que l’événement en question se répète de manière stable mais avec une fréquence inférieure à celle de l’oscillateur d’horloge utilisé. Dans ce cas, la résolution de la mesure finale doit être améliorée différemment. Plutôt que de compter le nombre de cycles se produisant dans un laps de temps prédéterminé, vous utiliserez le temps nécessaire pour un ensemble complet de cycles.
Pour obtenir les meilleurs résultats, la base de temps doit être soigneusement calibrée car c’est l’oscillateur interne qui génère les signaux temporels. Tout ce que vous avez à faire pour les signaux électroniques est de lire l’interface de l’instrument, où vous obtiendrez votre lecture.
En ce qui concerne la précision, la lecture d’un fréquencemètre dépend considérablement de la stabilité de sa base de temps.
Méthodes hétérodynes
La méthode hétérodyne est l’une des méthodes de mesure de fréquence les plus précises. Dans cette méthode, nous utilisons le compteur pour calculer l’onde carrée du signal de battement. Un convertisseur analogique-numérique (ADC) et un ordinateur fonctionnent comme compteur.
Le signal de battement d’onde sinusoïdale sera alors reconfiguré et converti en un signal numérique à l’aide de l’ADC. Ensuite, l’ordinateur analyse ce signal numérique et le processeur de signal numérique calcule la fréquence.
Cette méthode de mesure de fréquence fonctionne mieux avec les signaux multicanaux et affiche les résultats en temps réel. En ce qui concerne la précision, les méthodes hétérodynes sont plus précises que les méthodes traditionnelles.
Applications réelles de la fréquence
Plusieurs appareils et appareils fonctionnent en utilisant le concept de fréquence. Examinons quelques-unes de ces applications réelles de la fréquence.
Horloges grand-père
L’horloge grand-père, inventée par Christiaan Huygens (1629-1695), utilise de façon spectaculaire le concept du pendule. La fréquence d’un pendule est égale au nombre d’oscillations par minute. Vous obtenez la fréquence lorsque vous divisez la racine carrée de l’accélération due à la gravité par la longueur du pendule.
Cette relation permet d’ajuster la longueur des pendules dans l’horloge, modifiant ainsi sa fréquence. Si le pendule est court, l’horloge tournera plus vite ; un long pendule entraîne une horloge qui tourne lentement. C’est ainsi que fonctionne une horloge grand-père, avec un pendule contrôlant les aiguilles des secondes, des minutes et des heures.
Métronomes
Un métronome est un instrument utilisé pour calculer le tempo et la vitesse de la musique. Cet instrument date du XIXe siècle et utilise un balancier.
Le pendule est attaché à un poids coulissant en haut et à un poids fixe en bas. Il y a aussi une échelle numérotée qui indique la fréquence. Pour modifier le rythme, vous déplacez le poids supérieur, ce qui modifie instantanément la vitesse et le tempo de la musique.
Harmoniques
Lorsqu’un objet est soumis à des vibrations résonnantes à la fréquence naturelle, les vibrations viennent d’une manière qui forme un motif d’onde stationnaire dans l’objet. Quelques exemples de ces objets incluent une corde de guitare, une plaque Chladni ou une colonne d’air de trombone. Chacune des fréquences naturelles produites par un objet a son modèle de mode vibratoire.
Les fréquences harmoniques sont les fréquences spécifiques où ces motifs sont créés dans les différents objets. Aux autres fréquences, la perturbation produite par un milieu est généralement irrégulière.
Les instruments de musique s’appuient de manière significative sur ce concept car ils vibrent régulièrement et périodiquement, leurs fréquences harmoniques étant liées les unes aux autres par des rapports de nombres entiers. Cette relation entre les fréquences harmoniques se traduit par la musique agréable que produisent ces instruments.
Qu’est-ce que la fréquence en physique ? FAQ (Foire aux questions)
La fréquence est-elle affectée par le milieu de propagation ?
La vitesse de propagation reste constante lorsqu’une onde se déplace d’un milieu à un autre. Seule la longueur d’onde change, mais la fréquence reste constante.
Quelle est la formule pour calculer la fréquence ?
La formule de fréquence en termes de temps est donnée par: f=1/T où, f est la fréquence en hertz, et T est le temps pour terminer un cycle en secondes. La formule de fréquence en termes de longueur d’onde et de vitesse d’onde est donnée par f=𝜈/λ où, 𝜈 est la vitesse d’onde et λ est la longueur d’onde de l’onde.
Quel milieu produit le fréquence la plus élevée ?
Les rayons gamma sont connus pour produire la fréquence la plus élevée du spectre électromagnétique. La fréquence varie de 1 020 à 1 022 Hz.
Qu’est-ce qui produit la fréquence la plus basse ?
Les ondes radio produisent la fréquence la plus basse. Ils ont également la longueur d’onde la plus longue.
Quand la fréquence a-t-elle été inventée ?
L’unité SI de fréquence est le hertz (Hz), du nom du physicien allemand Heinrich Hertz par la Commission électrotechnique internationale en 1930. Il a été adopté par la CGPM (Conférence générale des poids et mesures) en 1960, remplaçant officiellement l’ancien nom, cycle par seconde (cps).
Comment la fréquence affecte-t-elle le corps humain ?
La fréquence peut affecter le corps humain de différentes manières, à la fois positivement et négativement. L’un des effets les plus connus de la fréquence sur le corps humain est le son, qui est un type d’onde mécanique qui se déplace dans l’air et est détectée par l’oreille. Différentes fréquences sonores peuvent produire différentes sensations, allant d’agréables à désagréables.
Outre le son, le rayonnement électromagnétique, comme les ondes radio, les micro-ondes, le rayonnement infrarouge, la lumière visible, le rayonnement ultraviolet, les rayons X, et les rayons gamma, ont également des fréquences qui peuvent affecter le corps humain.
L’exposition aux rayonnements électromagnétiques à haute fréquence, tels que les rayons X et les rayons gamma, peut être nocive pour le corps humain, tandis que l’exposition à de faibles-les rayonnements électromagnétiques de fréquence, tels que les ondes radio et les micro-ondes, sont généralement considérés comme sûrs.