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Enseignement scientifique · Classe de 1ʳᵉ

La musique et les sons

Sons, ondes et perception : physique de la musique (programme de 1re générale)

À propos de cette page
Cette évaluation sur « La musique et les sons » en première permet de faire le point sur ses connaissances en enseignement scientifique, comme lors d'un véritable contrôle. Elle suit le programme officiel de première et propose plusieurs exercices notés sur 20, avec un corrigé détaillé. Au programme : Nature et propriétés des sons, Hauteur et fréquence, Spectre sonore et harmoniques, Timbre et forme du signal. Travaille seul, chronomètre-toi, puis compare tes réponses au corrigé pour identifier les points à revoir. Parfait pour mesurer ses progrès et réviser efficacement. Évaluation gratuite conçue par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première en enseignement scientifique.
Évaluation finale · Niveau difficile · Durée 60 min · Noté sur 20
60:00

Évaluation complète de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.

Exercice 1 — Propriétés d'un son musical

/ 4 pts
  1. Un diapason vibre à $f = 440\,\text{Hz}$. Calculez la période $T$ de cette vibration. (1 pt)
  2. Calculez la longueur d'onde $\lambda$ de ce son dans l'air, sachant que $v = 340\,\text{m·s}^{-1}$. (1 pt)
  3. Ce son est-il dans le domaine audible ? Justifiez. (1 pt)
  4. Donnez le nom de la note musicale correspondant à 440 Hz et précisez sa hauteur par rapport à un son de 220 Hz. (1 pt)

Exercice 2 — Niveau sonore dans une salle de concert

/ 5 pts
  1. L'intensité sonore au premier rang d'un concert est $I_1 = 10^{-2}\,\text{W·m}^{-2}$. Calculez le niveau sonore $L_1$. On donne $I_0 = 10^{-12}\,\text{W·m}^{-2}$. (2 pts)
  2. Au dernier rang, l'intensité est $I_2 = 10^{-5}\,\text{W·m}^{-2}$. Calculez $L_2$. (1 pt)
  3. Montrez que la différence $L_1 - L_2 = 30\,\text{dB}$ correspond à un facteur 1 000 sur l'intensité. (1 pt)
  4. Le niveau au premier rang est-il dangereux pour l'audition lors d'un concert de 2 heures ? Justifiez brièvement. (1 pt)

Exercice 3 — Spectre et timbre d'instruments

/ 5 pts
  1. Un violon joue la note Sol, dont la fréquence fondamentale est $f_0 = 392\,\text{Hz}$. Donnez les fréquences des harmoniques de rang 2, 3 et 4. (2 pts)
  2. Expliquez en quoi le spectre d'un violon diffère de celui d'une flûte jouant la même note, et quel effet cela a sur le timbre perçu. (2 pts)
  3. Un signal contient uniquement les harmoniques impairs de 200 Hz (200, 600, 1000, 1400 Hz…). À quel type d'instrument cela fait-il penser ? Justifiez. (1 pt)

Exercice 4 — Ondes stationnaires sur une corde

/ 6 pts
  1. Une corde de guitare a une longueur $L = 0{,}65\,\text{m}$ et la célérité des ondes sur cette corde est $v = 572\,\text{m·s}^{-1}$. Calculez la fréquence fondamentale $f_1$. (2 pts)
  2. Calculez les fréquences des harmoniques de rang 2 et 3. À quelle note musicale correspond $f_1$ (La = 440 Hz, Si = 494 Hz) ? (2 pts)
  3. Le guitariste pose le doigt au milieu de la corde (en laissant vibrer la corde entière mais en bloquant légèrement au centre). Quelle est la fréquence du son produit ? Expliquez le phénomène physique. (2 pts)
✓Corrigé détaillé

Exercice 1 — Propriétés d'un son musical
Corrigé :
a) $T = \frac{1}{f} = \frac{1}{440} \approx 2{,}27 \times 10^{-3}\,\text{s}$ (soit 2,27 ms).
b) $\lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{440} \approx 0{,}77\,\text{m}$.
c) Oui, 440 Hz est compris dans le domaine audible [20 Hz ; 20 000 Hz].
d) 440 Hz correspond au La (octave 4). Un son de 220 Hz est le La 3, situé une octave en dessous (440 / 220 = 2).

Exercice 2 — Niveau sonore dans une salle de concert
Corrigé :
a) $L_1 = 10\log\left(\frac{10^{-2}}{10^{-12}}\right) = 10\log(10^{10}) = 100\,\text{dB}$.
b) $L_2 = 10\log\left(\frac{10^{-5}}{10^{-12}}\right) = 10 \times 7 = 70\,\text{dB}$.
c) $L_1 - L_2 = 30\,\text{dB}$ → $\frac{I_1}{I_2} = 10^{30/10} = 10^3 = 1\,000$. On vérifie : $\frac{10^{-2}}{10^{-5}} = 10^3$. ✓
d) Oui, 100 dB dépasse largement le seuil de 85 dB au-delà duquel une exposition prolongée cause des lésions irréversibles des cellules ciliées. Des bouchons d'oreilles sont recommandés.

Exercice 3 — Spectre et timbre d'instruments
Corrigé :
a) $f_2 = 2 \times 392 = 784\,\text{Hz}$ ; $f_3 = 3 \times 392 = 1\,176\,\text{Hz}$ ; $f_4 = 4 \times 392 = 1\,568\,\text{Hz}$.
b) Le violon présente de nombreux harmoniques (pairs et impairs) avec des amplitudes significatives, donnant un timbre brillant et riche. La flûte produit principalement la fondamentale avec peu d'harmoniques (son plus pur, plus doux). C'est la différence d'amplitudes relatives des harmoniques qui définit le timbre.
c) Ce spectre (harmoniques impairs seulement) est caractéristique d'un tuyau cylindrique fermé à une extrémité, comme la clarinette, dont le timbre creux est la conséquence directe de l'absence des harmoniques pairs.

Exercice 4 — Ondes stationnaires sur une corde
Corrigé :
a) $f_1 = \frac{v}{2L} = \frac{572}{2 \times 0{,}65} = \frac{572}{1{,}30} = 440\,\text{Hz}$.
b) $f_2 = 2 \times 440 = 880\,\text{Hz}$ ; $f_3 = 3 \times 440 = 1\,320\,\text{Hz}$. La fréquence fondamentale de 440 Hz correspond au La (octave 4).
c) En posant le doigt au milieu, on impose un nœud de vibration au centre. La corde ne peut vibrer qu'en modes dont le milieu est un nœud : ce sont les harmoniques de rang pair (rang 2, 4…). La fréquence la plus basse produite est $f_2 = 880\,\text{Hz}$, soit une octave au-dessus. C'est le principe de l'harmonique naturel de guitare.

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