Des signaux pour observer et communiquer
Physique-chimie · 3e
L’essentiel
Ce thème est l'un des quatre du cycle 4 en physique-chimie ; l'ordre dans lequel ton collège l'aborde, et ce qui en est repris en 3e, dépend de l'établissement : vérifie ce qui a été vu en classe avant de réviser.
Lumière et sources. Une source primaire produit sa propre lumière : le Soleil, une lampe, une flamme, les étoiles. Un objet diffusant (ou source secondaire) renvoie la lumière qu'il reçoit : la Lune, un mur, une feuille de papier. On voit un objet quand de la lumière venant de cet objet entre dans l'œil. Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite ; on la modélise par des rayons lumineux. Les ombres, les éclipses et les phases de la Lune se comprennent avec ce modèle : la Lune ne brille pas par elle-même, on en voit la partie éclairée par le Soleil.
Vitesse de la lumière et année-lumière. La lumière se propage dans le vide (et pratiquement à la même vitesse dans l'air) à environ 300 000 km/s, soit 3 × 10^8 m/s. Elle met un peu plus d'une seconde pour venir de la Lune et environ 8 minutes pour venir du Soleil. L'année-lumière (al) n'est pas une durée mais une distance : celle que la lumière parcourt en une année, environ 9 500 milliards de kilomètres, soit à peu près 10^13 km. Regarder une étoile située à 100 années-lumière, c'est la voir telle qu'elle était il y a 100 ans. Erreur fréquente au brevet : traiter l'année-lumière comme une unité de temps.
Sons. Un son est produit par un objet qui vibre (corde, membrane, cordes vocales). Il se propage de proche en proche dans un milieu matériel : air, eau, solides. Il ne se propage pas dans le vide, contrairement à la lumière. Dans l'air, sa vitesse est d'environ 340 m/s, près d'un million de fois moins que la lumière : c'est pour cela que l'on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre ; en comptant 3 secondes d'écart, l'orage est à environ 1 km. La fréquence, en hertz (Hz), est le nombre de vibrations par seconde ; elle détermine la hauteur du son : aigu si la fréquence est élevée, grave si elle est basse. L'oreille humaine perçoit en gros de 20 Hz à 20 000 Hz ; en dessous ce sont les infrasons, au-dessus les ultrasons, utilisés dans les échographies et les sonars. L'amplitude de la vibration détermine le niveau sonore, mesuré en décibels (dB) ; une exposition prolongée à un niveau élevé abîme l'oreille de façon irréversible.
Période et fréquence. La période T, en secondes, est la durée d'une vibration complète ; la fréquence est son inverse : f = 1 / T. Un son de période 2 ms (0,002 s) a une fréquence de 500 Hz.
Signaux et information. Un signal est une grandeur physique qui transporte une information : signal sonore, lumineux, électrique, radio. Il peut être analogique (il varie continûment) ou numérique (suite de valeurs codées en 0 et 1). L'écho d'un signal permet de mesurer une distance : un sonar émet un ultrason, mesure la durée de l'aller-retour et calcule la distance avec d = v × t / 2, sans oublier de diviser par deux puisque le signal fait l'aller et le retour.
Repères
| Date | Événement |
|---|---|
| Vitesse de la lumière | environ 300 000 km/s (3 × 10^8 m/s) dans le vide |
| Année-lumière | une distance : celle parcourue par la lumière en un an, environ 10^13 km |
| Vitesse du son dans l'air | environ 340 m/s ; le son ne se propage pas dans le vide |
| Fréquence | nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz) ; f = 1 / T |
| Audition humaine | environ de 20 Hz à 20 000 Hz ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus |
| Source primaire / objet diffusant | produit sa propre lumière / renvoie la lumière reçue |
| Niveau sonore | en décibels (dB), lié à l'amplitude de la vibration |
Questions corrigées
1. Une étoile est située à 50 années-lumière de la Terre. Que signifie cette indication ?
Réponse : La lumière de l'étoile met 50 ans à nous parvenir
L'année-lumière est une distance. À 50 al, la lumière reçue aujourd'hui est partie il y a 50 ans : on voit l'étoile telle qu'elle était alors.
2. On voit un éclair et on entend le tonnerre 6 s plus tard. À quelle distance environ se trouve l'orage ?
Réponse : Environ 2 km
La lumière arrive quasi instantanément ; le son parcourt 340 m/s × 6 s ≈ 2 040 m, soit environ 2 km. Repère : 3 s d'écart par kilomètre.
3. Un son devient plus aigu. Qu'est-ce qui a changé ?
Réponse : Sa fréquence a augmenté
La hauteur d'un son dépend de sa fréquence : aigu = fréquence élevée. L'amplitude joue sur le niveau sonore, et la vitesse ne dépend que du milieu.
4. Dans lequel de ces milieux le son ne se propage-t-il pas ?
Réponse : Le vide
Le son est une vibration transmise de proche en proche par la matière : sans matière, pas de son. Dans l'espace, une explosion serait silencieuse.
5. Pourquoi voit-on la Lune dans le ciel ?
Réponse : Elle renvoie la lumière du Soleil vers nous
La Lune est un objet diffusant : elle ne produit pas de lumière, elle renvoie celle du Soleil. C'est aussi pour cela qu'elle présente des phases.
6. Un son a une période de 4 ms. Quelle est sa fréquence ?
Réponse : 250 Hz
f = 1 / T = 1 / 0,004 = 250 Hz. Il faut d'abord convertir les millisecondes en secondes : 4 ms = 0,004 s.
7. Un sonar émet un ultrason dans l'eau (vitesse 1 500 m/s) et reçoit l'écho 0,5 s plus tard. À quelle distance est l'obstacle ?
Réponse : 375 m
Le signal fait l'aller et le retour : d = v × t / 2 = 1 500 × 0,5 / 2 = 375 m. Oublier de diviser par 2 donne 750 m, l'erreur la plus fréquente.
8. Combien de temps met la lumière du Soleil pour atteindre la Terre ?
Réponse : Environ 8 minutes
Le Soleil est à environ 150 millions de km ; à 300 000 km/s, cela fait environ 500 s, soit un peu plus de 8 minutes. La seconde, c'est la Lune.
S’entraîner
Des exercices neufs à chaque séance, avec correction, sur l’application du 3e (elle fonctionne sans connexion).
Ouvrir cette notion dans le cahier de 3e