Signaux lumineux et sonores en 3ème
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de signaux lumineux et sonores pour les élèves de 3ème. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
- Propagation rectiligne de la lumière
- Vitesse de la lumière
- Sources de lumière
- Lumière blanche et spectre
- Émission du son
- Propagation du son dans un milieu
- Vitesse du son
- Sons audibles, infrasons, ultrasons
- Fréquence et hauteur d'un son
- Période d'un signal périodique
- Amplitude d'un signal sonore
- Niveau sonore et risques auditifs
- Calcul de distance avec l'orage
- Calcul de distance en échographie
- Ondes radio et communication
- Transmission numérique de signaux
Ce que tu vas réviser
- Propagation rectiligne de la lumière ; sources, vitesse (3×10⁸ m/s)
- Lumière blanche ; spectre ; couleurs
- Le son : émission, propagation dans un milieu matériel, vitesse
- Distinction sons audibles, infrasons, ultrasons
- Fréquence (hauteur), période d'un signal périodique, amplitude
- Niveau sonore ; risques auditifs
- Calcul de distance (orage, échographie)
- Signaux pour la communication (ondes radio, transmission numérique — sensibilisation)
Propagation rectiligne de la lumière
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène. Elle voyage toujours en ligne droite tant qu'elle ne rencontre pas un obstacle ou un changement de milieu.
Exemple
Le rayon de soleil qui entre par la fenêtre de ta chambre forme une ligne droite visible dans la poussière. L'ombre nette d'un objet au soleil montre aussi que la lumière ne se courbe pas.
À retenir : La lumière se propage toujours en ligne droite dans un milieu transparent uniforme.
Vitesse de la lumière
Dans le vide (et presque autant dans l'air), la lumière voyage à une vitesse constante et très rapide : environ 300 000 kilomètres par seconde. C'est la vitesse maximale de l'univers.
Exemple
Quand tu regardes un match de foot au stade, tu vois la balle instantanément, mais le son du coup arrive avec un léger retard. C'est parce que la lumière est beaucoup plus rapide que le son.
À retenir : La vitesse de la lumière est $c = 3 \times 10^8$ m/s (300 000 km/s).
Sources de lumière
Une source de lumière est un objet qui produit ou émet de la lumière. Il existe deux types : les sources primaires qui produisent leur propre lumière, et les sources secondaires qui réfléchissent la lumière reçue.
Exemple
Le Soleil est une source primaire. La Lune est une source secondaire car elle ne produit pas de lumière, elle réfléchit juste la lumière du Soleil. Une ampoule LED est aussi une source primaire.
À retenir : Une source primaire produit sa propre lumière ; une source secondaire la réfléchit seulement.
Lumière blanche et spectre
La lumière blanche est composée d'une infinité de radiations colorées. Quand on les sépare (avec un prisme ou des gouttes d'eau), on obtient un spectre continu, où l'on distingue par convention sept couleurs principales : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet.
Exemple
L'arc-en-ciel apparaît après la pluie quand la lumière du Soleil traverse les gouttes d'eau. Un prisme dans une fenêtre ensoleillée crée aussi des bandes colorées sur le mur.
À retenir : La lumière blanche est un mélange d'une infinité de lumières colorées ; son spectre est continu, du rouge au violet.
Émission du son
Le son est produit par la vibration d'un objet. Cette vibration crée des ondes qui se propagent dans l'air ou dans d'autres milieux. Plus l'objet vibre fort, plus le son est intense.
Exemple
Quand tu parles, tes cordes vocales vibrent et créent le son. Quand tu frappes un tambour, la peau vibre et produit un son grave. Les haut-parleurs d'un casque vibrent aussi très vite pour créer la musique.
À retenir : Le son est créé par la vibration d'un objet qui se propage en ondes.
Propagation du son dans un milieu
Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager : l'air, l'eau, les solides, etc. Il ne peut pas voyager dans le vide, contrairement à la lumière.
Exemple
Dans une piscine, tu entends les bruits sous l'eau. Dans l'espace (le vide), les astronautes ne peuvent pas s'entendre sans radio. Le son de la musique traverse les murs de ta chambre.
À retenir : Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager, contrairement à la lumière.
Vitesse du son
Le son se propage à une vitesse bien plus lente que la lumière. Dans l'air à température ordinaire, la vitesse du son est d'environ 340 mètres par seconde.
Exemple
Pendant un orage, tu vois l'éclair instantanément, mais le tonnerre arrive quelques secondes après. Plus l'intervalle de temps est grand, plus l'orage est loin.
À retenir : La vitesse du son dans l'air est environ $v = 340$ m/s (beaucoup plus lente que la lumière).
Sons audibles, infrasons, ultrasons
L'oreille humaine ne peut entendre que les sons avec une fréquence entre 20 Hz et 20 000 Hz. Les infrasons sont plus graves (moins de 20 Hz), les ultrasons sont plus aigus (plus de 20 000 Hz).
Exemple
Un chien entend les ultrasons d'un sifflet silencieux que tu n'entends pas. Certaines grandes baleines communiquent avec des infrasons que nous ne percevons pas. Une chauve-souris émet des ultrasons pour naviguer la nuit.
À retenir : Les sons audibles sont entre 20 Hz et 20 000 Hz ; en dessous ce sont des infrasons, au-dessus des ultrasons.
Fréquence et hauteur d'un son
La fréquence est le nombre de vibrations par seconde, mesurée en hertz (Hz). Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu. Plus elle est basse, plus le son est grave.
Exemple
Un violon produit des sons aigus (de quelques centaines à plus de 2 000 Hz). Une grosse caisse de batterie produit des sons graves (fréquence basse, environ 60 Hz). La voix d'un homme est plus grave que celle d'une femme.
À retenir : La fréquence détermine la hauteur du son : fréquence élevée = son aigu, fréquence basse = son grave.
Période d'un signal périodique
La période est le temps que met un signal sonore ou lumineux pour faire une vibration complète et revenir à son état initial. Elle est mesurée en secondes (s) et se note T.
Exemple
Si une note de musique a une période de 0,01 s, cela signifie qu'elle vibre 100 fois par seconde. La relation est simple : fréquence = 1 / période.
À retenir : Période et fréquence sont liées par la formule : $T = \frac{1}{f}$ ou $f = \frac{1}{T}$.
Amplitude d'un signal sonore
L'amplitude est la grandeur de la vibration, c'est-à-dire l'écart maximum par rapport à la position de repos. Plus l'amplitude est grande, plus le son est fort (intensité élevée).
Exemple
Quand tu tournes le bouton de volume d'une enceinte, tu augmentes l'amplitude des vibrations du haut-parleur. Un cri a une amplitude beaucoup plus grande qu'un murmure.
À retenir : L'amplitude détermine l'intensité du son : plus grande l'amplitude, plus fort le son.
Niveau sonore et risques auditifs
Le niveau sonore se mesure en décibels (dB). Un niveau sonore trop élevé ou prolongé peut endommager l'oreille interne et causer la surdité. Les sons au-dessus de 85 dB sont dangereux.
Exemple
Le bruit d'une circulation intense en ville : 80 dB. Un concert de musique rock : 110 dB. Les écouteurs à volume maximum : 100-110 dB. L'OMS estime qu'on peut écouter sans risque un son de 80 dB jusqu'à 40 heures par semaine ; au-delà de 85 dB, une exposition prolongée devient dangereuse.
À retenir : Au-dessus de 85 dB, le son est dangereux pour l'oreille ; au-dessus de 120 dB, risque de surdité immédiate.
Calcul de distance avec l'orage
Pour estimer la distance d'un orage, on utilise le décalage entre la lumière (instantanée) et le son. On compte les secondes entre l'éclair et le tonnerre, puis on multiplie par la vitesse du son.
Exemple
Tu vois un éclair et tu comptes 3 secondes avant d'entendre le tonnerre. La distance est : distance = 3 s × 340 m/s = 1 020 m, soit environ 1 km. L'orage est à 1 kilomètre.
À retenir : Distance = temps (en secondes) × vitesse du son (340 m/s). Diviser le nombre de secondes par 3 donne approximativement la distance en kilomètres.
Calcul de distance en échographie
L'échographie utilise des ultrasons qui rebondissent sur les organes. En mesurant le temps aller-retour de l'onde, on calcule la profondeur de l'organe. Distance = (vitesse × temps) / 2.
Exemple
Un ultrason met 0,00004 seconde pour aller à un bébé dans le ventre et revenir. Vitesse du son dans les tissus : 1 500 m/s. Profondeur = (1 500 × 0,00004) / 2 = 3 cm.
À retenir : En échographie, distance = (vitesse du son dans les tissus × temps aller-retour) / 2.
Ondes radio et communication
Les ondes radio sont des ondes électromagnétiques comme la lumière. Elles voyagent à la vitesse de la lumière et se propagent sur de grandes distances et même dans le vide, contrairement au son.
Exemple
La radio FM, la 4G de ton téléphone, le WiFi, et les satellites GPS utilisent tous les ondes radio. Les ondes radio d'une station de radio parcourent plusieurs kilomètres et entrent dans ta maison à travers les murs.
À retenir : Les ondes radio sont des ondes électromagnétiques qui voyagent à la vitesse de la lumière et servent à la communication sans fil.
Transmission numérique de signaux
La transmission numérique code les informations (son, image, texte) sous forme de 0 et 1 (bits), puis les envoie via des ondes ou des câbles. C'est plus fiable et rapide que l'analogique.
Exemple
Ta connexion Internet envoie les données en numérique via le WiFi ou les câbles. Un appel téléphonique sur WhatsApp est transformé en nombres, transmis, puis reconverti en son. Les photos de ton téléphone sont des millions de bits.
À retenir : La transmission numérique code les signaux en 0 et 1 pour une meilleure qualité et fiabilité qu'en analogique.
Les points clés
- Vitesse de la lumière : $c = 3 \times 10^8$ m/s ; vitesse du son : $v = 340$ m/s
- Lumière blanche = mélange d'une infinité de lumières colorées (spectre continu, du rouge au violet)
- Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager, contrairement à la lumière
- Fréquence et période : $f = \frac{1}{T}$ (en Hz et secondes)
- Sons audibles : 20 Hz à 20 000 Hz ; infrasons < 20 Hz ; ultrasons > 20 000 Hz
- Amplitude détermine l'intensité (volume) ; fréquence détermine la hauteur (aigu/grave)
- Niveau sonore dangereux : au-dessus de 85 dB pour longtemps, au-dessus de 120 dB immédiatement
- Distance orage : distance = temps (s) × 340 m/s
- Distance en échographie : distance = (vitesse × temps aller-retour) / 2
- Ondes radio voyagent à la vitesse de la lumière et servent à la communication sans fil
L'essentiel
La lumière et le son sont deux types de signaux : la lumière se propage même dans le vide à 300 000 km/s, le son a besoin d'un milieu et va à 340 m/s dans l'air ; tous deux peuvent être utilisés pour communiquer et transmettre des informations.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Un orage produit un éclair et un tonnerre. Tu comptes 5 secondes entre l'éclair et le tonnerre. À quelle distance se trouve l'orage ? (Vitesse du son = 340 m/s)
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Une note de musique a une fréquence de 440 Hz (c'est la note LA). Calcule sa période.
Corrige cet exercice avec le tuteur →