Les sons et leur propagation

Exercices corrigés

1. Quelle est l'origine d'un son ?

   • A.La vibration d'un objet, appelé source sonoreBonne réponse
   • B.Le déplacement de l'air chaud vers l'air froid
   • C.Un courant électrique dans l'air
   • D.L'éclairage de l'objet par la lumière

   Réponse : A — La vibration d'un objet, appelé source sonore

   Tout son commence par un objet qui vibre : corde de guitare, membrane de haut-parleur, cordes vocales. Cette vibration se transmet ensuite de proche en proche au milieu matériel environnant, jusqu'à l'oreille qui joue le rôle de récepteur. Ni la température, ni l'électricité, ni la lumière ne créent directement un son.

2. Avec quelle unité mesure-t-on le niveau sonore ?

   • A.Le hertz (Hz)
   • B.Le décibel (dB)Bonne réponse
   • C.Le watt (W)
   • D.L'ampère (A)

   Réponse : B — Le décibel (dB)

   Le niveau sonore, ce qu'on appelle couramment le volume, se mesure en décibels (dB) à l'aide d'un sonomètre. Une conversation avoisine 60 dB, un concert 100 dB, et le seuil de douleur se situe vers 120 dB. Le hertz, lui, sert à la fréquence, donc à la hauteur du son.

3. Quelle distance un son parcourt-il dans l'air en 3 secondes ?

   • A.113 m
   • B.340 m
   • C.1 020 mBonne réponse
   • D.3 400 m

   Réponse : C — 1 020 m

   On applique d = v × t = 340 × 3 = 1 020 m, soit environ 1 km. C'est d'ailleurs l'origine de la règle pratique de l'orage : environ 1 km par tranche de 3 secondes d'écart. Répondre 113 m revient à diviser 340 par 3 au lieu de multiplier, et 340 m correspond à une seule seconde de trajet.

4. Sur un oscillogramme, on mesure une période T = 0,004 s. Quelle est la fréquence de ce son ?

   • A.0,004 Hz
   • B.250 HzBonne réponse
   • C.400 Hz
   • D.4 000 Hz

   Réponse : B — 250 Hz

   On applique f = 1/T = 1/0,004. Astuce de calcul : 1/0,004 revient à 1000/4 = 250 Hz. Vérification à l'envers : T = 1/250 = 0,004 s, c'est bien cohérent. Répondre 0,004 Hz revient à recopier la période au lieu de calculer son inverse, une confusion très fréquente entre les deux grandeurs.

5. Quel est approximativement 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 environ de 20 Hz à 20 000 Hz. En dessous se trouvent les infrasons, produits par exemple lors des séismes, et au-dessus les ultrasons, utilisés par les chauves-souris et par les échographies. Ce domaine se réduit avec l'âge, en particulier du côté des aigus : les adolescents entendent des fréquences que leurs professeurs ne perçoivent plus.

6. Un diapason émet un son de fréquence 500 Hz. Quelle est la période de ce son ?

   • A.500 s
   • B.0,5 s
   • C.0,002 sBonne réponse
   • D.0,05 s

   Réponse : C — 0,002 s

   On applique T = 1/f = 1/500 = 0,002 s, soit 2 millisecondes. Vérification : f = 1/0,002 = 500 Hz. Une période aussi courte est logique pour un son audible : il faut 500 motifs par seconde, chacun ne peut donc durer qu'une toute petite fraction de seconde. Répondre 500 s serait recopier la fréquence, ce qui donnerait un motif de plus de huit minutes !

7. Tu cries face à une falaise et tu entends l'écho 2 secondes plus tard. À quelle distance se trouve la falaise ?

   • A.170 m
   • B.1 360 m
   • C.680 m
   • D.340 mBonne réponse

   Réponse : D — 340 m

   Attention, le son fait un ALLER-RETOUR : en 2 secondes, il parcourt d'abord la distance jusqu'à la falaise, puis la même distance au retour. Distance totale : 340 × 2 = 680 m. La falaise est donc à 680/2 = 340 m. Autre façon de voir : le trajet aller a duré 1 s, soit 340 m. Répondre 680 m, c'est oublier de diviser par deux : c'est l'erreur la plus fréquente sur les échos et les sonars.

8. Un chanteur monte dans les aigus : la note devient plus aiguë. Que deviennent sa fréquence et sa période ?

   • A.La fréquence augmente et la période diminueBonne réponse
   • B.La fréquence diminue et la période augmente
   • C.Les deux augmentent en même temps
   • D.Les deux restent inchangées, seul le volume varie

   Réponse : A — La fréquence augmente et la période diminue

   Un son plus aigu correspond à une fréquence plus élevée. Or f = 1/T : si f augmente, T diminue nécessairement, puisque les deux grandeurs sont inverses. Concrètement, à l'oscilloscope, le motif se resserre. Les deux ne peuvent jamais augmenter ensemble, et le volume n'a rien à voir ici : c'est le niveau sonore, en décibels, qui le décrit.

9. Un son émis dans l'air met 5 secondes pour parcourir 1 700 m. Quelle est sa vitesse de propagation ?

   • A.8 500 m/s
   • B.340 m/sBonne réponse
   • C.0,003 m/s
   • D.1 700 m/s

   Réponse : B — 340 m/s

   On cherche une vitesse, donc v = d/t = 1 700/5 = 340 m/s. On retrouve bien la valeur attendue pour l'air, ce qui confirme le calcul. Répondre 8 500 m/s revient à multiplier au lieu de diviser, et 1 700 m/s à oublier complètement la durée : garde toujours un œil sur l'ordre de grandeur attendu, environ 340 m/s dans l'air.

10. Un bateau utilise un sonar : il émet un signal vers le fond marin et reçoit son écho 0,4 seconde plus tard. Le son se propage à 1 500 m/s dans l'eau. Quelle est la profondeur ?

    • A.3 750 m
    • B.600 m
    • C.300 mBonne réponse
    • D.136 m

    Réponse : C — 300 m

    Deux précautions à prendre. D'abord, on utilise la vitesse du son DANS L'EAU (1 500 m/s), pas dans l'air. Ensuite, le signal fait un aller-retour. Distance totale parcourue : d = 1 500 × 0,4 = 600 m. La profondeur vaut donc 600/2 = 300 m. Répondre 600 m, c'est oublier l'aller-retour ; répondre 136 m, c'est avoir utilisé 340 m/s, la vitesse dans l'air, ce qui n'a pas de sens sous l'eau.

11. Un feu d'artifice explose à 1 020 m d'un spectateur. Pourquoi voit-il l'explosion avant de l'entendre ?

    • A.Parce que l'œil réagit toujours plus vite que l'oreille
    • B.Parce que la lumière est émise avant le son par l'explosion
    • C.Parce que le son est renvoyé par les nuages, ce qui le retarde
    • D.Parce que la lumière met un temps négligeable alors que le son met 3 secondesBonne réponse

    Réponse : D — Parce que la lumière met un temps négligeable alors que le son met 3 secondes

    La lumière et le son partent exactement au même instant, mais ils ne voyagent pas à la même vitesse. Pour le son : t = d/v = 1 020/340 = 3 s. Pour la lumière : 1 020 m parcourus à 300 000 000 m/s, soit environ 0,0000034 s, une durée totalement imperceptible. L'écart de 3 secondes vient donc uniquement de la lenteur relative du son. Ce n'est ni une question de rapidité de nos sens, ni un effet des nuages.

12. Un réveil qui sonne est placé sous une cloche dans laquelle on fait le vide. Qu'observe-t-on ?

    • A.On entend le son encore plus fort
    • B.On n'entend plus rien, alors qu'on voit toujours le réveil vibrerBonne réponse
    • C.On n'entend rien et on ne voit plus rien
    • D.Le son devient plus aigu

    Réponse : B — On n'entend plus rien, alors qu'on voit toujours le réveil vibrer

    C'est l'expérience de référence du chapitre. Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager : sans air, plus rien ne transmet la vibration et le son disparaît. En revanche la lumière, elle, se propage très bien dans le vide : on continue donc à VOIR le réveil fonctionner. Cette expérience prouve d'un coup les deux propriétés.