Contrôle bientôt et tu découvres le son aujourd'hui ? Respire : c'est une des notions les plus courtes du chapitre. En quelques minutes tu as l'essentiel, et une seule formule fait tout le travail.
Les prérequis, en deux minutes
Tu as besoin de très peu de choses pour attaquer :
1. Une vitesse relie une distance et une durée, exactement comme en maths : $v = \dfrac{d}{t}$. C'est le même outil, avec le son dedans.
2. Les unités : la distance en mètres (m), la durée en secondes (s), la vitesse en mètres par seconde (m/s).
3. Savoir multiplier, diviser et isoler une inconnue dans une petite égalité.
La seule idée vraiment nouvelle apportée par le son : pour voyager, il lui faut un milieu matériel (de la matière autour). Dans le vide, il ne passe pas.
L'essentiel plus un exemple entièrement traité
Retiens ces quatre phrases, elles couvrent l'essentiel du contrôle :
Un son naît quand un objet vibre. Cet objet est la source sonore (une corde de guitare, une cloche, tes cordes vocales).
Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager : un gaz, un liquide ou un solide. Dans le vide, pas de matière, donc pas de son.
Sa vitesse dépend du milieu : environ $340$ m/s dans l'air, $1\,500$ m/s dans l'eau, $5\,000$ m/s dans l'acier.
La formule à connaître : $d = v \times t$, qui se retourne en $v = \dfrac{d}{t}$ et $t = \dfrac{d}{v}$.
Si tu sais faire ce calcul et réciter les quatre phrases, tu as déjà la moyenne. Les paliers suivants ne font que consolider.
Ah, ça te revient : le prof, l'exemple de la cloche, le mot vide écrit au tableau. Bonne nouvelle, tu n'es pas à zéro. On reprend tout proprement, dans l'ordre, pour que chaque morceau retrouve sa place.
D'où vient un son : la source qui vibre
Définition. Un son est produit lorsqu'un objet vibre. L'objet qui vibre s'appelle la source sonore : la guitare fait vibrer ses cordes, la cloche vibre quand on la frappe, tes cordes vocales vibrent quand tu parles.
La propagation. La source fait bouger les molécules du milieu tout autour d'elle. Ces molécules bousculent leurs voisines, qui bousculent les suivantes : la vibration se transmet de proche en proche, en s'éloignant de la source, jusqu'à ton oreille.
Le milieu est indispensable. Comme il faut des molécules à bousculer, le son a besoin d'un milieu matériel : un gaz (l'air), un liquide (l'eau) ou un solide (le bois, l'acier).
- Dans le vide, il n'y a aucune molécule. La vibration n'a rien à transmettre : le son ne s'y propage pas.
- C'est pour ça que, dans l'espace, une explosion serait silencieuse, même si les films te font croire le contraire.
La vitesse du son dépend du milieu
Le son ne va pas à la même vitesse partout. La règle : plus le milieu est dense et rigide, plus le son se propage vite, parce que les molécules y sont plus proches et se transmettent la vibration plus facilement.
- Dans l'air (gaz) : $v \approx 340$ m/s.
- Dans l'eau (liquide) : $v \approx 1\,500$ m/s.
- Dans l'acier (solide) : $v \approx 5\,000$ m/s.
Autrement dit, le son va environ 4 fois plus vite dans l'eau que dans l'air, et environ 15 fois plus vite dans l'acier. L'ordre à retenir : solide plus rapide que liquide, liquide plus rapide que gaz.
- La vitesse du son ($340$ m/s dans l'air) et la vitesse de la lumière ($300\,000$ km/s) n'ont rien à voir : la lumière est environ 880 000 fois plus rapide. C'est pour ça qu'on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre.
La relation d = v x t et ses trois visages
Une seule relation lie la distance $d$, la vitesse $v$ et la durée $t$. Elle s'écrit de trois façons selon ce que tu cherches :
- Repérer la grandeur cherchée : est-ce $d$, $v$ ou $t$ ?
- Écrire la relation de départ : $d = v \times t$.
- Isoler l'inconnue, puis remplacer par les valeurs numériques avec leurs unités.
- Vérifier la cohérence : distance en m, durée en s, vitesse en m/s.
Chaussons les baskets : on refait les calculs ensemble, ligne par ligne. Ici tu n'as rien à faire tout seul, on avance à deux et je commente chaque étape. L'idée, c'est que le geste devienne un réflexe.
On refait l'orage ensemble
On reprend le grand classique du chapitre, mais cette fois je te montre pourquoi chaque ligne s'écrit comme ça.
Énoncé. Tu vois un éclair, puis tu entends le tonnerre $3$ s plus tard. À quelle distance est l'orage ? On prend $v = 340$ m/s.
Ligne 1, je lis l'énoncé. La lumière de l'éclair arrive quasi instantanément, donc le retard de $3$ s est le temps mis par le son : $t = 3$ s.
Ligne 2, je repère l'inconnue. On me demande une distance : c'est $d$. Je connais $v$ et $t$, donc je prends $d = v \times t$.
Ligne 3, je remplace avec les unités. $d = 340 \text{ m/s} \times 3 \text{ s}$. Les secondes se simplifient, il reste des mètres : bon signe.
Ligne 4, je calcule. $d = 340 \times 3 = 1\,020$ m.
Ligne 5, je conclus par une phrase. L'orage est à environ $1\,020$ m, soit un peu plus d'un kilomètre. Toujours finir par une phrase, le correcteur adore.
Trouver la vitesse : v = d / t
Cette fois on cherche une vitesse. La démarche est identique, seule la formule choisie change.
Énoncé. Dans un long tuyau métallique, un son parcourt $10\,000$ m en $2$ s. Quelle est la vitesse du son dans ce métal ?
Étape 1. Grandeur cherchée : la vitesse $v$. On isole $v$ dans $d = v \times t$, ce qui donne $v = \dfrac{d}{t}$.
Étape 2. Je remplace : $v = \dfrac{10\,000}{2}$.
Étape 3. Je calcule : $v = 5\,000$ m/s.
Étape 4. Conclusion : $v = 5\,000$ m/s. C'est l'ordre de grandeur d'un solide comme l'acier, cohérent puisque le tuyau est métallique.
Trouver la durée : t = d / v
Dernier réflexe à installer : calculer un temps de trajet.
Énoncé. Un plongeur tape sur une coque à $1\,500$ m d'un micro immergé. Combien de temps le son met-il pour arriver ? On prend $v = 1\,500$ m/s dans l'eau.
Étape 1. Grandeur cherchée : la durée $t$. On isole $t$ dans $d = v \times t$, ce qui donne $t = \dfrac{d}{v}$.
Étape 2. Je remplace : $t = \dfrac{1\,500}{1\,500}$.
Étape 3. Je calcule : $t = 1$ s.
Étape 4. Conclusion : le son met $1$ s pour parcourir $1\,500$ m dans l'eau. Pratique à mémoriser : dans l'eau, le son avance d'environ $1\,500$ m chaque seconde.
Le contrôle, c'est là qu'on te tend des pièges bien précis : l'aller-retour de l'écho, les millisecondes déguisées, le vide qui ne laisse pas passer le son. On les désamorce un par un, et je te dis à chaque fois ce que le correcteur veut voir sur ta copie.
Le piège de l'aller-retour : écho et sonar
C'est le piège numéro un du chapitre. Avec un écho ou un sonar, le son fait un aller-retour : il part, rebondit sur un obstacle, puis revient. La durée que tu mesures correspond donc à deux fois la distance qui te sépare de l'obstacle.
- Distance totale parcourue : $d_{\text{total}} = v \times t$.
- La distance réelle jusqu'à l'obstacle vaut la moitié : $d = \dfrac{v \times t}{2}$.
Le piège des unités et ce que le correcteur attend
Deuxième piège favori : une durée donnée en millisecondes (ms). La formule ne marche que si $t$ est en secondes. Rappel : $1$ s $= 1\,000$ ms, donc pour passer des ms aux s on divise par 1000.
- La formule écrite avant tout calcul (c'est souvent un point à part entière).
- Les unités présentes à chaque étape et cohérentes : m, s, m/s.
- Une phrase de conclusion qui répond à la question posée.
- Pour un écho ou un sonar, la division par 2 clairement justifiée par l'aller-retour.
- Le son ne traverse pas le vide : si l'énoncé parle du vide ou de l'espace, la réponse est qu'il n'y a pas de son.
- Ne pas confondre vitesse du son et de la lumière : dans un orage, le retard mesuré est celui du son.
- Aller-retour = diviser par $2$. Durée en ms = convertir en s.
Tu maîtrises la vitesse du son ? Alors regardons ce qui se cache derrière et ce qui t'attend plus tard. Le son n'est pas qu'un chiffre en m/s : c'est une onde, et cette idée ouvre grand la porte des années suivantes.
Le son est une onde : fréquence et amplitude
Cette année, tu retiens surtout que le son voyage et à quelle vitesse. Les années suivantes, on regardera la vibration elle-même : on dit que le son est une onde.
Deux réglages décrivent cette onde, et tu les entends déjà tous les jours :
- La fréquence : le nombre de vibrations par seconde. Beaucoup de vibrations donnent un son aigu (une flûte), peu de vibrations un son grave (une grosse caisse).
- L'amplitude : la taille de la vibration. Une grande amplitude donne un son fort, une petite amplitude un son faible.
Attention à ne pas tout mélanger : la vitesse (vue cette année) dépend du milieu, alors que la fréquence et l'amplitude dépendent de la source. Ce sont des idées différentes, que tu apprendras à distinguer.
Justifier la formule du sonar
Au collège, on te donne souvent le $\div 2$ du sonar comme une recette. Voici pourquoi il est là, le genre de justification qu'on te demandera plus tard.
Étape 1. Le son part du bateau, descend jusqu'au fond, puis remonte : il fait donc l'aller ($d$) puis le retour ($d$).
Étape 2. La distance totale réellement parcourue est donc $d + d = 2 \times d$.
Étape 3. Or, sur cette distance totale, la relation habituelle s'applique : $2 \times d = v \times t$.
Étape 4. On isole la profondeur : $d = \dfrac{v \times t}{2}$. Le $\div 2$ n'est pas magique : il vient simplement de l'aller-retour.
C'est le même raisonnement pour un écho contre une falaise, ou pour l'échographie que le médecin utilise pour regarder à l'intérieur du corps.
Des signaux pour observer et communiquer
Le titre du chapitre, des signaux pour observer et communiquer, prend tout son sens quand tu compares le son à son grand cousin, la lumière.
- Le son est un signal qui a besoin de matière et va relativement lentement ($340$ m/s dans l'air).
- La lumière est un signal qui, elle, traverse le vide et va environ $880\,000$ fois plus vite. C'est pour ça qu'elle nous apporte la lumière du Soleil à travers l'espace, là où aucun son ne passe.
À partir de ces signaux, on observe le monde (le sonar mesure la profondeur, l'échographie regarde dans le corps, les chauves-souris et les dauphins se repèrent grâce à l'écho) et on communique (la parole, la musique, mais aussi la lumière dans les fibres optiques qui portent Internet).
La petite formule $d = v \times t$ que tu maîtrises maintenant est le point commun de toutes ces technologies : mesurer un temps de trajet pour en déduire une distance.