Retour à la page d'accueilEnseignement scientifique · Première (sans spé maths) · Changer de matière
Commencer gratuitement
Première (sans spé maths) · Enseignement scientifique
L'énergie · Les ondes : lumière et son

Le son

Un soir de 14 juillet, tu vois l'éclat d'une fusée du feu d'artifice, et la détonation n'arrive que quelques secondes plus tard. Pourquoi ce décalage, et que peut-on en déduire sur la distance du tir ? Dans cette page, tu vas comprendre ce qu'est le son, comment il voyage et comment s'en servir pour mesurer des distances.

Le son, une onde mécanique longitudinale

Pose la main sur un haut-parleur qui joue de la musique : tu sens la membrane vibrer. Cette vibration pousse l'air voisin, qui pousse l'air suivant, et ainsi de suite jusqu'à ton tympan. Comment ce mouvement voyage-t-il dans l'air sans que l'air soit « soufflé » vers toi ?

Une onde est mécanique quand elle a besoin d'un milieu matériel pour se propager. Elle est longitudinale quand le milieu oscille dans la même direction que la propagation de l'onde.

Onde sonore : des zones d'air comprimé (particules rapprochées) et dilaté (particules espacées) alternent de la source vers la droite ; chaque particule oscille seulement autour de sa position. haut-parleur compression dilatation compression sens de propagation de l'onde

Pour te représenter la situation, pense à un ressort étiré sur une table : si tu le pousses brusquement à une extrémité, une zone de spires serrées avance le long du ressort, mais chaque spire revient à sa place.

Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
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. a) Décrire…

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.

l'air sort pompe sonnette cloche de verre
  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 ?
Résoudre
Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
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…

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.

compression dilatation v
  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.
Résoudre

Hauteur, intensité, timbre et atténuation

Deux chanteurs entonnent la même note : tu reconnais chaque voix, et tu sais lequel chante plus fort. Quelles grandeurs de l'onde expliquent ces perceptions ?

Pourquoi ? L'oreille compte les vibrations de pression qui arrivent chaque seconde sur le tympan : c'est la fréquence, donc la hauteur. Elle sent aussi avec quelle force l'air pousse le tympan : c'est l'amplitude, donc l'intensité.

Augmente la fréquence : l'onde « se resserre » et le son devient plus aigu. Augmente l'amplitude : le son est plus fort, mais sa hauteur ne change pas.

Oscillogramme d'un son pur : la période T est la durée entre deux maxima successifs, ici 5 ms. T = 5 ms (deux maxima successifs) tension (u. a.) temps

Sur l'oscillogramme, tu lis la période $T$ entre deux maxima successifs, puis tu calcules $f = 1/T$.

Deux instruments qui jouent un la de $440\ \text{Hz}$ à la même intensité produisent des signaux de même période et de même amplitude, mais de formes différentes : c'est cela, le timbre.

Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
Sur une guitare, la première corde (la plus fine) vibre à $330\ \text{Hz}$ à vide et la sixième (la plus grosse) à $82,5\ \text{Hz}$. a) Laquelle des deux cordes produit…

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 ?
Résoudre
Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
Deux personnes jouent la même touche d'un piano, l'une avec beaucoup plus de force que l'autre. a) Lequel des deux sons s'entend le plus fort ? b) Le volume d'un son…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
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. a)…

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.

violon T 440 Hz flûte T 440 Hz
  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.
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
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…

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.

100 m
  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.
Résoudre

Vitesse du son, longueur d'onde, écho et sonar

Pendant un orage, tu vois l'éclair tout de suite, mais le tonnerre arrive plus tard. À quelle vitesse le son voyage-t-il, et pourquoi est-ce plus rapide dans l'eau ou l'acier que dans l'air ?

Comparaison de la vitesse du son : air 340 m/s, eau 1500 m/s, acier 5000 m/s. air : 340 m/s eau : 1 500 m/s acier : 5 000 m/s
Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
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…

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

haut-parleur vous 68 m t = ? v = 340 m/s

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

Résoudre
Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
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. a) À quelle distance de vous se…

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.

vous d = ? t = 4 s · v = 340 m/s
  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 ?
Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Vous criez face au mur d'un fronton et vous entendez l'écho $0,5\ \text{s}$ plus tard, comme le montre la figure. a) Expliquer le chemin parcouru par le son depuis sa…

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

mur d = ? t = 0,5 s v = 340 m/s
  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 $340\ \text{m/s}$.)
Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
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…

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 $340\ \text{m/s}$.)

Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Un sifflet émet un son de $340\ \text{Hz}$ dans l'air, où le son se propage à $340\ \text{m/s}$. a) Calculer sa longueur d'onde. b) Un autre sifflet émet avec une…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Un haut-parleur génère un son pur de $200\ \text{Hz}$ dans l'air. a) Calculer la période de l'onde. b) Calculer sa longueur d'onde. (Le son se propage à…

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 $340\ \text{m/s}$.)
Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Le son se propage dans l'eau de mer à environ $1500\ \text{m/s}$. Deux dauphins nagent séparés de $3\ \text{km}$. a) Combien de temps le son de l'un met-il pour…

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 ?
Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Un guide de montagne crie en direction de la paroi d'un défilé située à $170\ \text{m}$. a) Quelle distance totale le son parcourt-il depuis le cri jusqu'à ce qu'il…

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 $340\ \text{m/s}$.)
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
Un randonneur crie face à une paroi rocheuse lointaine et entend l'écho $3\ \text{s}$ plus tard. a) À quelle distance se trouve la paroi ? (Le son se propage à…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
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…

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 $1500\ \text{m/s}$.

bateau impulsion écho fond marin h = ? t = 0,4 s v = 1500 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 ?
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
Il existe une règle pratique pour les orages : « chaque $3\ \text{s}$ entre l'éclair et le tonnerre, $1\ \text{km}$ de distance ». a) Vérifier la règle en calculant la…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
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…

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.

train vous par l'air : 340 m/s par le rail : 5000 m/s 1700 m
  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.
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
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…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
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…

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.
Résoudre

L'oreille, le décibel et les nuisances sonores

Pourquoi un sifflet pour chien ne te fait-il entendre rien, alors que le chien accourt ? Et pourquoi doit-on protéger ses oreilles au concert ou à la Fête de la musique ?

Axe des fréquences : infrasons en dessous de 20 Hz, domaine audible de 20 Hz à 20 000 Hz, ultrasons au-dessus de 20 000 Hz. infrasons< 20 Hz audible20 Hz – 20 000 Hz ultrasons> 20 000 Hz 20 Hz 20 000 Hz fréquence (Hz)

Les nuisances sonores (ou pollution sonore) viennent du bruit excessif : circulation, chantiers, avions, musique amplifiée. Elles perturbent le sommeil et la concentration, provoquent du stress et peuvent entraîner une perte d'audition. Pour les réduire, on peut agir :

  • sur la source (véhicules plus silencieux, limitation de vitesse) ;

  • sur le milieu de propagation (murs antibruit, double vitrage, matériaux absorbants comme rideaux ou tapis, qui absorbent l'énergie du son au lieu de la réfléchir) ;

  • sur le récepteur (bouchons d'oreille, casque de protection).

Entraîne-toi★☆☆Pas commencé
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…

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 ?

Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Une baleine chante à $20\ \text{Hz}$ et une chauve-souris émet ses cris à $68\,000\ \text{Hz}$. a) L'oreille humaine peut-elle percevoir les deux sons ? Justifier avec…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★★☆Pas commencé
Dans une ville cohabitent la circulation, les chantiers, les terrasses avec de la musique et les sirènes des ambulances. a) Expliquer ce que l'on entend par pollution…

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.
Résoudre
Entraîne-toi★★★Pas commencé
Une famille vit dans un appartement donnant sur une avenue très fréquentée et subit le bruit de la circulation y compris la nuit. a) Proposer une mesure pour réduire le…

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 ?
Résoudre

Retour au début : le décalage entre l'éclat du feu d'artifice et la détonation vient de la différence entre la vitesse de la lumière (quasi instantanée) et celle du son ($340\ \text{m·s}^{-1}$) : $\Delta t = d / v$ donne la distance du tir.

L'essentiel

Voir tous les exercices de cette partie