Exercices: Le son

Dans un laboratoire, on suspend une sonnette électrique sous une cloche de verre et l'on extrait peu à peu l'air. La figure montre le montage de l'expérience.

1. a) Décrire ce que l'on entend à mesure que l'air sort.
2. b) Que démontre cette expérience sur ce dont le son a besoin pour se propager ?
3. c) Pourquoi deux astronautes à la surface de la Lune se parlent-ils par radio alors qu'ils sont l'un à côté de l'autre ?

Le son se propage dans l'air comme une succession de zones d'air comprimé et dilaté qui avancent de la source jusqu'à l'oreille. La figure représente ces zones de compression et de dilatation.

1. a) L'air se déplace-t-il du haut-parleur jusqu'à votre oreille ou oscille-t-il seulement autour de sa position ?
2. b) En tenant compte de la direction dans laquelle oscille l'air par rapport à la direction de propagation de l'onde, le son est-il une onde transversale ou longitudinale ? Justifier.
3. c) Décrire comment vous le modéliseriez avec un ressort étiré sur la table.

Le haut-parleur du gymnase est à $68\ \text{m}$ de l'endroit où vous vous trouvez, comme le montre la figure.

Combien de temps le son met-il pour arriver à vos oreilles ? Donnée : le son se propage dans l'air à $340\ \text{m/s}$.

Sur une guitare, la première corde (la plus fine) vibre à $330\ \text{Hz}$ à vide et la sixième (la plus grosse) à $82,5\ \text{Hz}$.

1. a) Laquelle des deux cordes produit le son le plus aigu ?
2. b) De quelle grandeur de l'onde dépend la hauteur (aiguë ou grave) d'un son ?
3. c) Dans quelle unité se mesure cette grandeur ?

Deux personnes jouent la même touche d'un piano, l'une avec beaucoup plus de force que l'autre.

1. a) Lequel des deux sons s'entend le plus fort ?
2. b) Le volume d'un son (fort ou faible) correspond à la qualité appelée intensité sonore : de quelle grandeur de l'onde dépend-elle ?
3. c) La hauteur de la note change-t-elle quand on la joue plus fort ? Justifier.

Une oreille humaine jeune et saine perçoit des sons entre environ $20\ \text{Hz}$ et $20\,000\ \text{Hz}$. Indiquer si l'on peut entendre chacun de ces sons et nommer le domaine auquel ils appartiennent :

1. a) Un son de $15\ \text{Hz}$.
2. b) Un son de $440\ \text{Hz}$.
3. c) Un son de $25\,000\ \text{Hz}$.

Comment appelle-t-on les sons dont la fréquence dépasse $20\,000\ \text{Hz}$ et quel animal les utilise pour s'orienter dans l'obscurité ?

Un violon et une flûte jouent la même note, un la de $440\ \text{Hz}$, avec le même volume. La figure montre la forme des ondes produites par chaque instrument.

1. a) Pourquoi distingue-t-on malgré tout quel instrument joue ?
2. b) Comment s'appelle cette qualité du son ? Expliquer en quoi les ondes produites par chaque instrument diffèrent.

Pendant un orage, vous voyez l'éclair et vous comptez $4\ \text{s}$ jusqu'à ce que vous entendiez le tonnerre, comme le montre la figure.

1. a) À quelle distance de vous se trouve l'orage ? (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)
2. b) Pourquoi peut-on négliger le temps que met la lumière de l'éclair à vous parvenir ?

Vous criez face au mur d'un fronton et vous entendez l'écho $0,5\ \text{s}$ plus tard, comme le montre la figure.

1. a) Expliquer le chemin parcouru par le son depuis sa sortie de votre bouche jusqu'à ce que vous l'entendiez.
2. b) Calculer à quelle distance se trouve le mur. (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)

Un feu d'artifice explose à $1700\ \text{m}$ de chez vous. Combien de temps mettez-vous à entendre la détonation après avoir vu l'éclat ? (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)

Un sifflet émet un son de $340\ \text{Hz}$ dans l'air, où le son se propage à $340\ \text{m/s}$.

1. a) Calculer sa longueur d'onde.
2. b) Un autre sifflet émet avec une fréquence double, $680\ \text{Hz}$ : calculer sa longueur d'onde.
3. c) Expliquer, à l'aide de $v = \lambda \cdot f$, comment varie la longueur d'onde d'un son lorsque sa fréquence augmente dans le même milieu.

Un haut-parleur génère un son pur de $200\ \text{Hz}$ dans l'air.

1. a) Calculer la période de l'onde.
2. b) Calculer sa longueur d'onde. (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)

Le son se propage dans l'eau de mer à environ $1500\ \text{m/s}$. Deux dauphins nagent séparés de $3\ \text{km}$.

1. a) Combien de temps le son de l'un met-il pour atteindre l'autre dans l'eau ?
2. b) Combien de temps mettrait-il pour parcourir cette même distance dans l'air ? (Dans l'air, il se propage à $340\ \text{m/s}$ ; exprimer le résultat avec une décimale.)
3. c) Dans lequel des deux milieux le son se propage-t-il le plus vite ?

Un guide de montagne crie en direction de la paroi d'un défilé située à $170\ \text{m}$.

1. a) Quelle distance totale le son parcourt-il depuis le cri jusqu'à ce qu'il entende l'écho ?
2. b) Combien de temps mettra-t-il à entendre l'écho ? (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)

Une baleine chante à $20\ \text{Hz}$ et une chauve-souris émet ses cris à $68\,000\ \text{Hz}$.

1. a) L'oreille humaine peut-elle percevoir les deux sons ? Justifier avec le domaine audible, de $20\ \text{Hz}$ à $20\,000\ \text{Hz}$.
2. b) Calculer la longueur d'onde de chaque son dans l'air et l'exprimer dans une unité adaptée. (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)
3. c) Relier la très petite longueur d'onde des cris de la chauve-souris à sa capacité à détecter de minuscules insectes.

Dans une ville cohabitent la circulation, les chantiers, les terrasses avec de la musique et les sirènes des ambulances.

1. a) Expliquer ce que l'on entend par pollution sonore.
2. b) Citer deux effets du bruit excessif sur la santé des personnes.
3. c) Proposer une mesure pour réduire le bruit en agissant sur la source et une autre en agissant sur le milieu par lequel il se propage.

Un randonneur crie face à une paroi rocheuse lointaine et entend l'écho $3\ \text{s}$ plus tard.

1. a) À quelle distance se trouve la paroi ? (Le son se propage à $340\ \text{m/s}$.)
2. b) Il marche $170\ \text{m}$ vers la paroi et crie de nouveau : combien de temps met maintenant l'écho ?
3. c) Expliquer pourquoi la durée a diminué dans la même proportion que la distance.

Le sonar d'un bateau envoie une impulsion d'ultrasons vers le fond marin et l'écho revient $0,4\ \text{s}$ plus tard, comme le montre la figure. Le son se propage dans l'eau à $1500\ \text{m/s}$.

1. a) Quelle est la profondeur sous le bateau ?
2. b) Pourquoi le sonar utilise-t-il des ultrasons plutôt que des sons audibles ?
3. c) Si le bateau navigue jusqu'à une zone où le fond est à $600\ \text{m}$, combien de temps l'écho mettra-t-il à revenir ?

Il existe une règle pratique pour les orages : « chaque $3\ \text{s}$ entre l'éclair et le tonnerre, $1\ \text{km}$ de distance ».

1. a) Vérifier la règle en calculant la distance parcourue par le son en $3\ \text{s}$ ($v_{\text{son}} = 340\ \text{m/s}$).
2. b) Quelle erreur la règle commet-elle, en mètres et en pourcentage ? Vous semble-t-elle acceptable pour un usage quotidien ?
3. c) La règle suppose que la lumière arrive instantanément : calculer combien de temps met réellement la lumière de l'éclair pour parcourir $1\ \text{km}$ ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$) et justifier si cette hypothèse est raisonnable.

Dans les films de western, les éclaireurs collent l'oreille au rail pour savoir si un train approche. Le son se propage dans l'acier à $5000\ \text{m/s}$ et dans l'air à $340\ \text{m/s}$. Un train lointain siffle alors qu'il se trouve à $1700\ \text{m}$. La figure montre les deux chemins par lesquels le son arrive.

1. a) Combien de temps le sifflement met-il pour arriver par l'air ?
2. b) Combien de temps met-il pour arriver par le rail ?
3. c) De combien le son arrive-t-il en avance par le rail ? Exprimer le résultat avec une décimale.
4. d) Expliquer, en pensant aux particules de chaque milieu, pourquoi le son se propage beaucoup plus vite dans l'acier que dans l'air.

Deux élèves veulent mesurer la vitesse du son en plein air. Ils se placent à $255\ \text{m}$ l'un de l'autre : l'un frappe une grosse caisse et l'autre chronomètre $0,75\ \text{s}$ entre le moment où il voit le coup et celui où il entend le son.

1. a) Calculer la vitesse du son qu'ils obtiennent.
2. b) Pourquoi le second élève déclenche-t-il le chronomètre en voyant le coup sans avoir besoin de connaître l'instant exact où il a été produit ?
3. c) Indiquer deux sources d'erreur de cette mesure et un moyen d'améliorer l'expérience.

Lors d'un concert en plein air, le son près des haut-parleurs est assourdissant et à $100\ \text{m}$ il gêne à peine. La figure représente comment l'énergie de l'onde se répartit en s'éloignant du haut-parleur.

1. a) Quelle grandeur de l'onde sonore diminue en s'éloignant de la source et laquelle reste constante ?
2. b) Le haut-parleur émet son énergie en la répartissant sur des surfaces sphériques de plus en plus grandes à mesure que l'onde s'éloigne : expliquer avec cette idée pourquoi le volume baisse autant avec la distance.
3. c) Relier ce qui précède à la recommandation de ne pas rester longtemps collé aux haut-parleurs.

Une famille vit dans un appartement donnant sur une avenue très fréquentée et subit le bruit de la circulation y compris la nuit.

1. a) Proposer une mesure pour réduire le bruit en agissant sur la source, une autre en agissant sur le milieu de propagation et une autre sur le récepteur, en justifiant physiquement chacune d'elles.
2. b) Expliquer pourquoi une fenêtre à double vitrage avec lame d'air isole mieux du bruit qu'un simple vitrage.
3. c) À l'intérieur d'une maison, les rideaux épais, les tapis et les étagères pleines de livres réduisent le bruit : que font ces matériaux au son au lieu de le réfléchir ?

Une chauve-souris émet une impulsion d'ultrasons et reçoit l'écho produit par un papillon de nuit $0,02\ \text{s}$ plus tard. (Le son se propage dans l'air à $340\ \text{m/s}$.)

1. a) À quelle distance se trouve le papillon de nuit ?
2. b) Pourquoi les humains n'entendent-ils pas les cris de la chauve-souris ?
3. c) Les objets beaucoup plus petits que la longueur d'onde ne réfléchissent presque pas l'onde : expliquer pourquoi la chauve-souris a intérêt à utiliser des fréquences élevées, avec de petites longueurs d'onde, pour chasser les insectes.