Des signaux pour observer et communiquer (thème du cycle 4)
Physique-chimie · 4e
L’essentiel
AVERTISSEMENT HONNÊTE : thème du cycle 4 entier ; sa répartition entre la 5e, la 4e et la 3e est décidée par chaque collège. Pas de liste annuelle officielle.
LA LUMIÈRE. La lumière se propage EN LIGNE DROITE dans un milieu homogène et transparent : c'est le modèle du RAYON LUMINEUX, qui explique les ombres et les éclipses. Une SOURCE PRIMAIRE produit sa lumière (Soleil, lampe, flamme) ; un OBJET DIFFUSANT renvoie la lumière qu'il reçoit (la Lune, un mur, ce livre). On ne voit un objet que si de la lumière venant de lui entre dans notre œil. La VITESSE DE LA LUMIÈRE dans le vide est d'environ 300 000 km/s : rien ne va plus vite. La lumière du Soleil met un peu plus de 8 minutes à nous atteindre ; celle des étoiles, des années ou des siècles. L'ANNÉE-LUMIÈRE est la distance parcourue par la lumière en un an (environ 9 500 milliards de kilomètres) : regarder loin, c'est regarder dans le passé. La lumière blanche est un MÉLANGE de toutes les couleurs : un prisme ou une goutte de pluie la décompose en SPECTRE, du rouge au violet. Les écrans fabriquent toutes les couleurs à partir de trois lumières, rouge, verte et bleue (SYNTHÈSE ADDITIVE). Un objet paraît rouge parce qu'il diffuse le rouge et absorbe les autres couleurs.
LE SON. Un son est produit par un objet qui VIBRE (corde, membrane, cordes vocales) et se propage dans un MILIEU MATÉRIEL : l'air, l'eau, les solides, mais pas le vide. Dans l'air, sa vitesse est d'environ 340 m/s, un million de fois plus lente que la lumière : c'est pourquoi on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre (3 secondes d'écart, c'est 1 km de distance). La FRÉQUENCE, en HERTZ (Hz), est le nombre de vibrations par seconde : elle fixe la HAUTEUR du son (grave en dessous de quelques centaines de hertz, aigu au-dessus). L'oreille humaine entend entre 20 Hz et 20 000 Hz ; au-dessus, ce sont les ULTRASONS, utilisés par les chauves-souris et les échographies. Le NIVEAU SONORE, en DÉCIBELS (dB), mesure l'intensité : 30 dB pour un chuchotement, 60 dB pour une conversation, 85 dB le seuil de danger pour une exposition longue, 120 dB le seuil de douleur. Les écouteurs à fond et les concerts abîment définitivement les cellules de l'oreille interne : les cellules ciliées ne se régénèrent pas.
SIGNAUX ET INFORMATION. Lumière et son sont des SIGNAUX : ils transportent une information d'un émetteur à un récepteur. Un signal ANALOGIQUE varie de façon continue (la vibration d'une corde) ; un signal NUMÉRIQUE est une suite de nombres, codés en BINAIRE (0 et 1), que les ordinateurs stockent et transmettent sans dégradation. La fibre optique transporte des impulsions de lumière, les téléphones portables des ondes radio, les câbles des courants électriques. Convertir un son en fichier numérique, c'est mesurer sa valeur des milliers de fois par seconde et ranger ces nombres : c'est ainsi que la musique voyage dans un fil de verre.
Repères
| Date | Événement |
|---|---|
| Programme | écrit pour tout le cycle 4 : l’ordre des notions dépend du collège |
| 300 000 km/s | vitesse de la lumière dans le vide ; la lumière du Soleil met un peu plus de 8 minutes à nous parvenir |
| 340 m/s | vitesse du son dans l’air : 3 s entre éclair et tonnerre, c’est 1 km |
| 20 Hz à 20 000 Hz | domaine audible de l’oreille humaine ; au-dessus, ultrasons |
| 85 dB | seuil de danger pour une exposition prolongée ; 120 dB, seuil de douleur |
| Binaire | codage de l’information numérique avec des 0 et des 1 |
Questions corrigées
1. Pourquoi voit-on la Lune alors qu'elle ne produit pas de lumière ?
Réponse : Parce qu'elle diffuse la lumière du Soleil qu'elle reçoit : c'est un objet diffusant
Le Soleil est une source primaire. La Lune, comme un mur ou un livre, renvoie la lumière reçue dans toutes les directions. Une partie entre dans notre œil : nous la voyons.
2. On voit un éclair, puis on entend le tonnerre 6 secondes plus tard. À quelle distance l'orage se trouve-t-il, environ ?
Réponse : 2 km
La lumière arrive quasiment instantanément. Le son parcourt environ 340 m par seconde : en 6 s, 6 × 340 ≈ 2 000 m, soit environ 2 km. Règle rapide : 3 secondes par kilomètre.
3. Qu'est-ce qu'une année-lumière ?
Réponse : La distance parcourue par la lumière en un an, environ 9 500 milliards de km
C'est une unité de DISTANCE, pas de temps. Une étoile située à 100 années-lumière nous montre la lumière qu'elle a émise il y a 100 ans : regarder loin, c'est regarder dans le passé.
4. Le son peut-il se propager dans le vide ?
Réponse : Non : il a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide) qui vibre
Un son est une vibration transmise de molécule en molécule. Sans matière, pas de transmission : dans l'espace, aucune explosion ne s'entend. La lumière, elle, traverse le vide.
5. Qu'est-ce que la fréquence d'un son et que détermine-t-elle ?
Réponse : Le nombre de vibrations par seconde, en hertz : elle détermine la hauteur du son (grave ou aigu)
Une corde qui vibre 100 fois par seconde donne un son grave (100 Hz) ; 2 000 fois, un son aigu. Le volume (fort ou faible) dépend d'une autre grandeur, l'amplitude, mesurée en décibels.
6. À partir de quel niveau sonore une exposition prolongée devient-elle dangereuse pour l'oreille ?
Réponse : 85 dB
À 85 dB (circulation dense, écouteurs forts), quelques heures suffisent à abîmer les cellules ciliées de l'oreille interne, qui ne se régénèrent jamais. À 120 dB, la douleur est immédiate. Les acouphènes après un concert sont un signal d'alarme.
7. Qu'est-ce qu'un signal numérique ?
Réponse : Une information codée en une suite de nombres, en binaire (0 et 1), que les machines transmettent sans dégradation
Un son, une image sont mesurés et traduits en nombres. Copier des nombres ne les abîme pas : un fichier numérique reste identique après mille copies, alors qu'une cassette analogique s'use.
S’entraîner
Des exercices neufs à chaque séance, avec correction, sur l’application du 4e (elle fonctionne sans connexion).
Ouvrir cette notion dans le cahier de 4e