Propagation de la lumière et du son
Lors d'un orage à Lyon, tu vois l'éclair, puis tu entends le tonnerre quelques secondes plus tard. Pourtant, les deux phénomènes se produisent en même temps. Pourquoi ce décalage ? Et peut-on s'en servir pour savoir à quelle distance tombe la foudre ? Tu pourras répondre à la fin de cette page.
Sources de lumière et objets diffusants
Pour voir un objet, il faut que de la lumière arrive jusqu'à tes yeux. Mais tous les objets ne fournissent pas leur propre lumière.
Dans une pièce plongée dans le noir, tu ne vois pas ton cahier : il ne produit pas de lumière. Dès que tu allumes une lampe, une partie de sa lumière est diffusée par le cahier jusqu'à tes yeux, et tu le vois.
Dans la liste suivante, repérer les sources primaires de lumière et les objets diffusants : le Soleil, la Lune, une bougie allumée, un cahier, l'écran allumé d'une…
Dans la liste suivante, repérer les sources primaires de lumière et les objets diffusants : le Soleil, la Lune, une bougie allumée, un cahier, l'écran allumé d'une tablette, un mur blanc.
Propagation rectiligne et rayon lumineux
Dans une pièce sombre, le faisceau d'une lampe de poche est droit, surtout si l'air contient un peu de poussière ou de fumée qui le rend visible.
Pour représenter cela, on utilise un modèle : le rayon lumineux. C'est une droite fléchée qui indique le trajet et le sens de propagation de la lumière, de la source vers l'objet.
La lumière ne « tourne » pas autour d'un obstacle opaque : si un livre bouche le trou, plus aucun rayon ne passe et l'écran reste sombre.
Une lampe de poche éclaire un mur dans une pièce sombre. Le faisceau lumineux traverse de l'air. a) Dans quel type de trajectoire la lumière se propage-t-elle dans l'air…
Une lampe de poche éclaire un mur dans une pièce sombre. Le faisceau lumineux traverse de l'air.
- a) Dans quel type de trajectoire la lumière se propage-t-elle dans l'air ?
- b) Comment représente-t-on la lumière dans le modèle du rayon lumineux ?
Une petite lampe est placée à 20 cm devant un carton percé d'un trou. Un écran est placé à 40 cm derrière le carton. On observe sur l'écran une tache lumineuse. a)…
Une petite lampe est placée à 20 cm devant un carton percé d'un trou. Un écran est placé à 40 cm derrière le carton. On observe sur l'écran une tache lumineuse.
- a) Décrire avec des rayons lumineux le trajet de la lumière entre la lampe et l'écran.
- b) Que se passe-t-il pour la lumière si l'on place un livre opaque devant le trou ? Expliquer à l'aide de la propagation rectiligne.
Le son a besoin d'un milieu
Une expérience classique : on place un réveil qui sonne sous une cloche en verre, puis on retire peu à peu l'air avec une pompe. Le son s'affaiblit de plus en plus, jusqu'à disparaître, alors qu'on voit toujours le réveil à travers le verre.
C'est pourquoi la lumière du Soleil arrive jusqu'à la Terre à travers l'espace vide, alors qu'on n'entend pas le Soleil. Dans l'espace, une explosion reste silencieuse.
Le son se propage dans l'air, mais aussi dans l'eau et dans les solides, où il va plus vite.
Un élève de Nantes place un réveil en train de sonner dans une cloche en verre. Il fait progressivement le vide dans la cloche avec une pompe. Il observe que le son…
Un élève de Nantes place un réveil en train de sonner dans une cloche en verre. Il fait progressivement le vide dans la cloche avec une pompe. Il observe que le son devient de plus en plus faible, alors qu'il voit toujours le réveil à travers le verre.
- a) Que peut-on conclure sur la propagation du son ?
- b) Pourquoi le son du Soleil ou d'une explosion dans l'espace ne peut-il pas parvenir jusqu'à la Terre ?
- c) La lumière a-t-elle besoin d'un milieu pour se propager ? Justifier avec l'observation de l'élève.
Vitesses de la lumière et du son
Lumière et son ne vont pas à la même vitesse, loin de là.
| Propagation | Vitesse approximative |
|---|---|
| Lumière (vide, air) | $300\,000\ \text{km/s}$ |
| Son dans l'air | $340\ \text{m/s}$ |
| Son dans l'eau | $1\,500\ \text{m/s}$ |
| Son dans l'acier | $5\,000\ \text{m/s}$ |
En 1 s, la lumière parcourt 300 000 km : de quoi faire plus de sept fois le tour de la Terre ! Le son, lui, ne parcourt que 340 m. On retrouve la relation du mouvement uniforme :
Lors d'un orage à Lyon, vous entendez le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair. On prend une vitesse du son dans l'air de $340\ \text{m/s}$. Calculer la distance entre…
Lors d'un orage à Lyon, vous entendez le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair. On prend une vitesse du son dans l'air de $340\ \text{m/s}$.
Calculer la distance entre vous et l'éclair, en mètres puis en kilomètres.
Au stade de Lens, vous êtes placé à 170 m d'un joueur qui frappe dans un ballon. Vous voyez le coup de pied puis vous entendez le bruit. On prend…
Au stade de Lens, vous êtes placé à 170 m d'un joueur qui frappe dans un ballon. Vous voyez le coup de pied puis vous entendez le bruit. On prend $v_{son} = 340\ \text{m/s}$.
- a) Calculer la durée mise par le son pour parvenir jusqu'à vous.
- b) La lumière parcourt $300\ 000\ \text{km}$ en 1 s. Expliquer pourquoi on peut considérer que vous voyez le geste « instantanément ».
Dans l'air, le son se propage à $340\ \text{m/s}$ ; dans l'eau, à environ $1\ 500\ \text{m/s}$ ; dans l'acier, à environ $5\ 000\ \text{m/s}$. Un coup de marteau est…
Dans l'air, le son se propage à $340\ \text{m/s}$ ; dans l'eau, à environ $1\ 500\ \text{m/s}$ ; dans l'acier, à environ $5\ 000\ \text{m/s}$. Un coup de marteau est donné à une extrémité d'un rail d'acier de 850 m, à Dijon. Une personne placée à l'autre extrémité, l'oreille collée au rail, entend deux sons.
- a) Calculer la durée de propagation du son dans l'acier et dans l'air.
- b) Calculer l'écart de temps entre les deux sons perçus.
- c) Expliquer pourquoi la personne entend deux sons.
Un bateau de recherche en mer Méditerranée émet une impulsion sonore vers le fond. L'écho revient au bateau 0,40 s après l'émission. La vitesse du son dans l'eau de mer…
Un bateau de recherche en mer Méditerranée émet une impulsion sonore vers le fond. L'écho revient au bateau 0,40 s après l'émission. La vitesse du son dans l'eau de mer est de $1\ 500\ \text{m/s}$.
- a) Expliquer pourquoi la distance parcourue par le son est le double de la profondeur.
- b) Calculer la profondeur de la mer à cet endroit.
- c) Si on avait utilisé par erreur $340\ \text{m/s}$, quelle profondeur aurait-on trouvée ? Commenter.
La lumière du Soleil met environ 500 s pour parvenir à la Terre, à la vitesse de $300\ 000\ \text{km/s}$. a) Calculer la distance Terre-Soleil en kilomètres. b) Exprimer…
La lumière du Soleil met environ 500 s pour parvenir à la Terre, à la vitesse de $300\ 000\ \text{km/s}$.
- a) Calculer la distance Terre-Soleil en kilomètres.
- b) Exprimer ce résultat en notation scientifique.
- c) Un son pourrait-il parcourir cette distance dans l'espace ? Si oui, calculer sa durée à $340\ \text{m/s}$ ; sinon, justifier.
L'essentiel
-
Une source primaire produit sa lumière ; un objet diffusant renvoie celle qu'il reçoit.
-
Dans un milieu transparent uniforme, la lumière se propage en ligne droite : on la représente par un rayon lumineux fléché.
-
La lumière se propage dans le vide ; le son a besoin d'un milieu matériel.
-
Lumière : $300\,000\ \text{km/s}$ ; son dans l'air : $340\ \text{m/s}$ (plus rapide dans l'eau et l'acier).
-
Pour une propagation à vitesse constante : $d = v \times t$ ; pour un écho, la distance parcourue est le double de la distance à l'obstacle.