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### Onde harmonique 3
### **Ondes progressives harmonique**<br>*en notation complexe*
##### Comment représenter une OPPH en notation complexe ?
* On utilise le fait que la fonction exponentielle se décompose de la façon suivante :
<br>
$`\forall \alpha \in \mathbb{R}\;,\,`$ **$`\large{exp{\,\alpha} = cos \,\alpha + i\cdot sin \,\alpha}\quad`$**, avec *$`\large{\;i^{\,2}=-1}`$*.
* Ainsi l'**onde sinusoïdale plane progressive** peut s'écrire :
<br>
* soit en *notation réelle* :
<br>
1D : *$`\;\large{\boldsymbol{\mathbf{U(x,t)=A\cdot cos\,(\omega t - k x + \varphi)}}}`$*
3D : *$`\;\large{\boldsymbol{\mathbf{U(\vec{r},t)=A\cdot cos\,(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r} + \varphi)}}}`$*
* soit en **notation complexe** :
<br>
1D : **$`\;\large{\boldsymbol{\mathbf{\underline{U}(x,t)}}}`$** $`\;= A\cdot \underbrace{exp\,[\,i\,(\omega t - k x + \varphi}_{\color{blue}{exp(a+b) = exp(a)\times exp(b)})\,]}`$
<br>
$`\;\quad\quad\quad\quad\quad =\underbrace{A\;e^{\,i\,\varphi}}_{\color{blue}{\underline{A}=A\; e^{\,i\,\varphi}}}\cdot exp\,[\,i\,(\omega t - kx)\,]`$
<br>
**$`\;\quad\quad\quad\quad\quad\boldsymbol{\mathbf{\large{\,=\underline{A}\cdot e^{\,i\,(\omega t - kx)}}}}`$**
<br>
3D : **$`\;\large{\boldsymbol{\mathbf{\underline{U}(\vec{r},t)=\underline{A}\cdot e^{\,i\,(\omega t - \vec{k}\cdot\vec{r})}}}}`$**
<br>
avec *$`\boldsymbol{\large{\mathbf{\underline{A}=A\; e^{\,i\varphi}}}}`$ : amplitude complexe*.
<br>
* L'**onde $`U(x,t)`$** est **réelle** et s'exprime comme la *partie réelle de l'onde complexe $`\underline{U}(x,t)`$*.
<br>
* L'**amplitude réelle $`A`$** de l'onde s'exprime comme la *racine carrée du produit*
*de l'amplitude complexe $`\underline{A}`$ par son complexe conjugué $`\underline{A}^{\ast}`$* :
* $`\underline{A}=A\,e^{\,i\,\varphi}`$ : amplitude complexe.
* $`\underline{A}^{\ast}=A\,e^{\,-i\,\varphi}`$ : amplitude complexe conjuguée.
$`\begin{align}
\large{\mathbf{\color{brown}{\quad \sqrt{\underline{A}\,\underline{A}^{\ast}}}}} &= \sqrt{A\,e^{\,i\,\varphi}\times A\,e^{\,-i\,\varphi}}\\
\\
&= \sqrt{A^2\,e^{\,i\,\varphi}\,e^{\,-i\,\varphi}} = \sqrt{A^2\,e^{\,(i-i)\,\varphi}}\\
\\
&= \sqrt{A^2\,e^0}=\sqrt{A^2} = \vert\,A\,\vert^2\\
\\
&\large{\mathbf{\color{brown}{= A}}}\end{align}`$
##### Quel est l'intérêt de la notation complexe ?
* De difficulté mathématique équivalente à la notation réelle pour le calcul de la superposition de deux OPPH.
* **Indispensable** pour le calcul de la *superposition d'un nombre fini (>2) ou infini d'OPPH*,
lorsqu'elles sont de *même amplitude* et *déphasées 2 à 2 d'un pas constant* :
* Permet de **calculer et comprendre** le principe physique :
* des *réseaux de diffraction*, intervenant dans les **monochromateurs** à réseaux
* d'une *figure de diffraction*.
* de la *diffraction* des ondes *par la matière cristalline*.
* les **filtres optiques interférentiels**
* ...
<br>
##### Qu'est-ce que la représentation de Fresnel d'une OPPH ?
* Soit un **nombre complexe $`\underline{U}_1`$**.
* $`\underline{U}_1`$ peut s'exprimer :
* avec son *amplitude réelle $`A_1`$* et son *argument $`\theta_1`$* :
<br>
**$`\mathbf{\underline{U}_1=A_1\;e^{\,i\,\theta_1}}`$**
<br>
* avec ses *composantes réelle $`A_1 cos\,\theta_1`$ et imaginaire $`A_1 sin\,\theta_1`$* :
<br>
**$`\mathbf{\underline{U}_1=A_1\cos\,\theta_1\;+\;i\,A_1\sin\,\theta_1}`$**
* La *représentation de $`\underline{U}`$ est un **vecteur** géométrique dans l'espace des nombres complexes.
* Le vecteur représentatif se décompose en *deux composantes* par projection orthogonale selon deux axes orthogonaux :
* axe des *nombres réels*
* axe des *nombres imaginaires*
* La **norme** du vecteur est l'amplitude réelle *amplitude réelle $`A_1`$*
L'**angle** exprimé en radian que forme le vecteur avec l'axe réel est l'*argument $`\theta_1`$*.
* Dans le cas de la **notation complexe d'une OPPH** l'argument *$`\theta_1`$* représente la *phase* de l'OPPH : <br>
*$`\mathbf{\theta_1=\omega 1 t+ \varphi_1}`$*
<br>
![](fresnel-representation-complex-number_L1200.jpg)
<br>
* En représentation de Fresnel, Une *OPPH en un point* de l'espace est donc représentée par un **vecteur tournant**,
à la **pulsation $`\omega_1`$**.
![](plane-wave-progressive-monochrome-complex-representation_L1200.gif)
<br>
##### Quel est l'intérêt de la représentation de Fresnel ?
* C'est une **représentation visuelle** d'un nombre complexe.
* *Moins puissante que les calculs en notation complexe*, elle permet de déduire facilement
l'amplitude résultant de la **superposition d'un petit nombre d'OPPH**.
<br>
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