Signaux lumineux et sonores pour communiquer
Troisième · Physique-Chimie · Des signaux pour observer et communiquer
Des signaux pour observer et communiquer
Les signaux lumineux
Un phare qui balaie la mer, un feu tricolore, un SMS qui file dans une fibre optique : à chaque fois, une information voyage. Ce qui la transporte s'appelle un signal. Dans ce chapitre, tu vas apprendre à décrire les deux grandes familles de signaux du programme : les signaux lumineux et les signaux sonores.
D'où vient la lumière ? On distingue deux sortes d'objets lumineux :
Les sources primaires produisent elles-mêmes leur lumière : le Soleil, une étoile, une flamme, une lampe, un écran de téléphone.
Les objets diffusants ne produisent aucune lumière : ils se contentent de renvoyer dans toutes les directions la lumière qu'ils reçoivent. C'est le cas de la Lune, d'une page de cahier, d'un mur ou de la planète Mars.
La vitesse de la lumière
La lumière ne se déplace pas instantanément : elle a une vitesse, énorme mais finie. Dans le vide (et pratiquement la même valeur dans l'air), cette vitesse vaut c = 300 000 km/s, c'est-à-dire 3 × 108 m/s, soit 300 000 000 m/s.
Contrairement au son, la lumière n'a pas besoin de matière pour voyager : elle traverse le vide, et c'est bien pour cela que la lumière du Soleil nous parvient.
Des signaux pour observer et communiquer
Les signaux sonores
Un son naît toujours d'un objet qui vibre : une corde de guitare, une membrane de haut-parleur, tes cordes vocales. Cette vibration met en mouvement les molécules du milieu voisin, de proche en proche : c'est l'onde sonore. Le son a donc besoin de matière pour voyager — et c'est sa grande différence avec la lumière.
La vitesse du son dépend du milieu. Contrairement à la lumière, le son ne va pas à la même vitesse partout : plus le milieu est dense et rigide, plus les molécules se transmettent vite la vibration, donc plus le son est rapide.
| Milieu | Vitesse approximative du son | Comparaison |
|---|---|---|
| Vide | aucune propagation | le son ne passe pas |
| Air (à 20 °C) | 340 m/s | valeur à connaître par cœur |
| Eau | 1 500 m/s | environ 4 fois plus vite que dans l'air |
| Acier | 5 000 m/s | environ 15 fois plus vite que dans l'air |
| Lumière dans le vide (pour comparer) | 300 000 000 m/s | environ 900 000 fois plus vite que le son dans l'air |
Fréquence, période et hauteur d'un son. Un son pur est une vibration qui se répète à l'identique. La durée d'un motif qui se répète s'appelle la période T, mesurée en secondes (s). Le nombre de motifs par seconde s'appelle la fréquence f, mesurée en hertz (Hz).
Ces deux grandeurs sont liées : f = 1 / T et T = 1 / f, avec T en secondes et f en hertz.
La fréquence détermine la hauteur du son : plus la fréquence est grande, plus le son est aigu ; plus elle est petite, plus le son est grave. L'oreille humaine perçoit les fréquences comprises entre environ 20 Hz et 20 000 Hz. En dessous, on parle d'infrasons ; au-dessus, d'ultrasons (inaudibles pour nous, mais entendus par le chien ou la chauve-souris).
Enfin, le niveau sonore se mesure en décibels (dB) avec un sonomètre. Une exposition prolongée au-delà de 85 dB abîme durablement l'audition, et le seuil de douleur se situe vers 120 dB. Les cellules de l'oreille interne détruites ne se régénèrent pas : d'où l'importance des bouchons en concert et d'un volume modéré au casque.
Exercices corrigés
La Lune brille dans le ciel nocturne. Comment la qualifie-t-on en physique ?
- A.Une source primaire, car elle brille la nuit
- B.Une source primaire, car elle produit sa propre lumière
- C.Un objet diffusant qui chauffe et émet de la lumière
- D.Un objet diffusant, car elle renvoie la lumière du SoleilBonne réponse
Réponse : D — Un objet diffusant, car elle renvoie la lumière du Soleil
La Lune ne fabrique aucune lumière : elle reçoit celle du Soleil et la renvoie dans toutes les directions. C'est donc un objet diffusant. Une source primaire PRODUIT sa lumière (le Soleil, une étoile, une lampe, une flamme). Le bon réflexe : demande-toi si l'objet brillerait encore une fois toutes les autres lumières éteintes. La Lune, non.
Un son a une fréquence de 500 Hz. Quelle est sa période ?
- A.500 s
- B.2 msBonne réponse
- C.0,5 ms
- D.5 ms
Réponse : B — 2 ms
La période est l'inverse de la fréquence : T = 1 / f = 1 / 500 = 0,002 s. Or 0,002 s = 2 millisecondes, donc T = 2 ms. Répondre 500 s, c'est confondre période et fréquence (elles sont inverses l'une de l'autre, jamais égales). Répondre 0,5 ms viendrait de 500 / 1 000, et 5 ms d'un calcul de 1/200. Vérification : 1 / 0,002 = 500, on retombe bien sur la fréquence de départ.
Un son A a une fréquence de 200 Hz, un son B une fréquence de 800 Hz. Lequel est le plus aigu ?
- A.Le son A, car sa période est plus courte
- B.Le son A, car une fréquence faible donne un son aigu
- C.Ils ont la même hauteur : seule l'intensité les distingue
- D.Le son B, car plus la fréquence est grande, plus le son est aiguBonne réponse
Réponse : D — Le son B, car plus la fréquence est grande, plus le son est aigu
La hauteur d'un son est directement liée à sa fréquence : plus la fréquence est grande, plus le son est aigu. Ici 800 Hz > 200 Hz, donc le son B est le plus aigu (et A le plus grave). Au passage, c'est B qui a la période la PLUS COURTE (1/800 = 1,25 ms contre 1/200 = 5 ms), ce qui invalide la première option. Et non, ils n'ont pas la même hauteur : l'intensité, mesurée en décibels, est une tout autre grandeur.
À partir de quel niveau sonore une exposition prolongée devient-elle dangereuse pour l'oreille ?
- A.Environ 85 dBBonne réponse
- B.Environ 10 dB
- C.Environ 0 dB
- D.Environ 200 dB
Réponse : A — Environ 85 dB
Le seuil de risque pour une exposition prolongée est fixé autour de 85 dB (le bruit d'une rue très passante ou d'un casque poussé fort). Le seuil de douleur, lui, se situe vers 120 dB. À l'inverse, 0 dB est le seuil d'AUDIBILITÉ, c'est-à-dire le son le plus faible perceptible, et 10 dB reste un murmure inoffensif. Quant à 200 dB, on ne le rencontre pas dans la vie courante. Les cellules détruites de l'oreille interne ne repoussent pas : la prévention est la seule protection.
Tu cries face à une falaise et tu entends ton écho 2 secondes plus tard. À quelle distance se trouve la falaise ? (vitesse du son : 340 m/s)
- A.680 m
- B.340 mBonne réponse
- C.170 m
- D.1 020 m
Réponse : B — 340 m
Pendant ces 2 secondes, le son a fait l'ALLER puis le RETOUR. Distance totale parcourue : d = 340 × 2 = 680 m. Mais la falaise n'est qu'à la moitié de ce trajet : 680 / 2 = 340 m. Répondre 680 m, c'est le piège classique : on oublie de diviser par 2. Répondre 170 m reviendrait à diviser deux fois de trop. Réflexe à garder : dès qu'il y a un écho, il y a un aller-retour.
Une étoile se trouve à 8 années-lumière de la Terre. Que vois-tu exactement lorsque tu l'observes ce soir ?
- A.L'étoile telle qu'elle est à cet instant précis
- B.L'étoile telle qu'elle était il y a 8 ansBonne réponse
- C.L'étoile telle qu'elle sera dans 8 ans
- D.Rien : sa lumière n'a pas encore eu le temps d'arriver
Réponse : B — L'étoile telle qu'elle était il y a 8 ans
La lumière qui entre dans ton œil ce soir a quitté l'étoile il y a 8 ans, puisqu'il lui faut exactement 8 ans pour couvrir 8 années-lumière. Tu observes donc un passé vieux de 8 ans : si l'étoile avait explosé il y a 3 ans, tu la verrais encore intacte pendant 5 ans ! Observer loin dans l'espace, c'est toujours regarder dans le passé. La dernière option est fausse : la lumière est bien arrivée, elle a simplement voyagé 8 ans.
Quel est le domaine des fréquences audibles par l'oreille humaine ?
- A.De 0 Hz à 100 Hz
- B.De 20 Hz à 2 000 Hz
- C.De 20 Hz à 20 000 HzBonne réponse
- D.De 20 000 Hz à 200 000 Hz
Réponse : C — De 20 Hz à 20 000 Hz
L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz. En dessous de 20 Hz, ce sont les infrasons ; au-dessus de 20 000 Hz, les ultrasons, que nous n'entendons pas mais que perçoivent le chien ou la chauve-souris. L'intervalle 20-2 000 Hz est dix fois trop étroit : il exclurait la plupart des sons aigus de la musique. Avec l'âge, la limite haute descend nettement.
Classe ces trois milieux du plus LENT au plus RAPIDE pour la propagation du son.
- A.Acier, eau, air
- B.Eau, air, acier
- C.Air, acier, eau
- D.Air, eau, acierBonne réponse
Réponse : D — Air, eau, acier
Le son se propage d'autant plus vite que le milieu est dense et rigide, car les molécules, plus proches, se transmettent la vibration plus rapidement. On a donc : air 340 m/s, puis eau 1 500 m/s, puis acier 5 000 m/s. L'ordre croissant est bien air, eau, acier. L'intuition trompe souvent : on imagine que l'air, plus « léger », laisserait mieux passer le son, alors que c'est exactement l'inverse.
Un orage éclate : le tonnerre arrive 6 s après l'éclair. Combien de temps la LUMIÈRE de cet éclair a-t-elle mis pour t'atteindre ? (son : 340 m/s ; lumière : 3 × 10⁸ m/s)
- A.6 s, exactement comme pour le son perçu par l'oreille
- B.Environ 0,000007 s, une durée totalement négligeableBonne réponse
- C.Environ 0,5 s, un temps qui reste largement mesurable
- D.3 s, soit environ la moitié du temps mis par le son
Réponse : B — Environ 0,000007 s, une durée totalement négligeable
Deux étapes. D'abord la distance, donnée par le son : d = 340 × 6 = 2 040 m. Ensuite le temps mis par la lumière pour couvrir ces 2 040 m : t = d / v = 2 040 / 300 000 000 = 0,0000068 s, soit environ 7 millionièmes de seconde. C'est près d'un million de fois plus court que le trajet du son ! Voilà pourquoi on affirme, dans tous ces exercices, que la lumière arrive « instantanément » : on néglige une durée qu'aucun chronomètre humain ne pourrait mesurer.
Un haut-parleur émet un son de période 2,5 ms. On règle l'appareil pour DOUBLER sa fréquence. Que valent la nouvelle période et la nouvelle hauteur ?
- A.5 ms, et le son devient plus grave
- B.1,25 ms, et le son devient plus aiguBonne réponse
- C.1,25 ms, et le son devient plus grave
- D.2,5 ms, la hauteur ne change pas
Réponse : B — 1,25 ms, et le son devient plus aigu
Calculons la fréquence de départ : T = 2,5 ms = 0,0025 s, donc f = 1 / 0,0025 = 400 Hz. En doublant : f' = 800 Hz. La nouvelle période vaut T' = 1 / 800 = 0,00125 s = 1,25 ms, soit bien la moitié de la période initiale. Deux idées à retenir : période et fréquence varient en sens inverse (fréquence × 2 donne période ÷ 2), et une fréquence plus grande donne un son plus AIGU. Répondre 5 ms, c'est doubler la période au lieu de la diviser.
Quelle est la vitesse de la lumière dans le vide ?
- A.300 000 km/sBonne réponse
- B.340 m/s
- C.3 000 km/s
- D.30 000 km/s
Réponse : A — 300 000 km/s
La vitesse de la lumière dans le vide vaut c = 300 000 km/s, c'est-à-dire 3 × 10⁸ m/s ou 300 000 000 m/s. C'est une des valeurs à connaître par cœur en 3e. Attention : 340 m/s, c'est la vitesse du SON dans l'air, pas celle de la lumière. Les deux autres propositions sont des valeurs 10 ou 100 fois trop petites.
À quelle vitesse le son se propage-t-il dans l'air ?
- A.3 400 m/s
- B.1 500 m/s
- C.340 m/sBonne réponse
- D.300 000 km/s
Réponse : C — 340 m/s
Dans l'air, à température ordinaire, le son se propage à environ 340 m/s. La valeur 1 500 m/s est celle du son dans l'EAU, et 300 000 km/s celle de la LUMIÈRE dans le vide. Quant à 3 400 m/s, c'est la bonne valeur multipliée par 10 : un classique quand on va trop vite sur les zéros.
S'entraîner sur ce chapitre
Ce chapitre compte 36 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.
Commencer les exercices