Ressources · 3ᵉ · Physique
Fiche de révision : Ondes mécaniques et son
Le son, une onde mécanique ; période et fréquence sur un oscillogramme, f = 1 ÷ T ; hauteur et intensité ; son audible, infrason ou ultrason ; distance mesurée par l’écho d’ultrasons : sonar, capteur de recul, échographie
Son : fréquence, infrasons et ultrasons
Fiche méthode
(Physique 3ᵉ · Des signaux pour observer et communiquer · Le son et les ultrasons)
La démarche face à une question sur le son
1. Je situe la question : la nature de l’onde, la période et la fréquence, la hauteur ou l’intensité, le domaine (audible, infrason, ultrason) ou une mesure par écho.
2. Je lis l’oscillogramme ou l’énoncé : divisions et durée de balayage, nombre de motifs, unités (s, ms, µs, Hz, kHz, MHz, m/s).
3. J’applique la relation du cas : f = 1 ÷ T, T = 1 ÷ f, f = N ÷ t, d = v × Δt ÷ 2.
4. Je vérifie le sens physique : motifs serrés = aigu, crêtes hautes = fort, plus de 50 ms = infrason, moins de 50 µs = ultrason, écho divisé par 2.
Cas 1 · Reconnaître une onde mécanique
Réflexe — une perturbation qui se déplace, un milieu matériel, une matière qui reste sur place.
Exemple 1. Un camion passe dans la rue : les vitres d’une maison voisine vibrent.
Les vitres vibrent puis s’arrêtent, à leur place : l’onde mécanique (dans le sol et dans l’air) leur a apporté de l’énergie, pas de matière venue du camion.
Exemple 2. Le vent emporte un sac plastique au bout de la rue.
Le sac et l’air se déplacent : de la matière voyage, ce n’est pas une onde.
Attention — sans milieu matériel, aucune onde mécanique : le son ne traverse pas le vide.
Cas 2 · Calculer une période et une fréquence
Réflexe — durée de plusieurs motifs ÷ nombre de motifs ; T en secondes ; f = 1 ÷ T.
Exemple 1. 4 motifs occupent les 10 divisions ; durée de balayage 0,2 ms/div.
4 motifs : 10 × 0,2 = 2 ms ; T = 2 ÷ 4 = 0,5 ms = 0,000 5 s ; f = 1 ÷ 0,000 5 = 2 000 Hz.
Exemple 2. Un son a une fréquence de 16 kHz. Quelle est sa période ?
T = 1 ÷ 16 000 = 0,000 062 5 s = 62,5 µs.
Attention — avec T en ms, 1 ÷ T ne donne pas des hertz : on convertit d’abord.
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Cas 3 · Comparer la hauteur et l’intensité de deux sons
Réflexe — même durée de balayage : motifs plus serrés = plus aigu ; même sensibilité : crêtes plus hautes = plus fort.
Exemple 1. Son 1 : T = 3 ms, crêtes à 4 divisions. Son 2 : T = 7 ms, crêtes à 1,5 division (mêmes réglages).
Le son 1 a la période la plus courte : il est plus aigu. Il a aussi les crêtes les plus hautes : il est plus fort. Les deux comparaisons se font séparément.
Exemple 2. On monte le volume d’une enceinte qui joue une note tenue.
L’amplitude augmente, la période ne change pas : même note, plus forte.
Attention — la hauteur et l’intensité sont indépendantes ; la célérité ne dépend d’aucune des deux.
Cas 4 · Classer un son : audible, infrason ou ultrason
Réflexe — je compare f à 20 Hz et 20 000 Hz, ou T à 50 ms et 50 µs.
Exemple 1. Un signal a une période de 16 µs.
16 µs < 50 µs : f = 1 ÷ 0,000 016 = 62 500 Hz, un ultrason.
Exemple 2. Un signal a une période de 0,25 s.
0,25 s = 250 ms > 50 ms : f = 1 ÷ 0,25 = 4 Hz, un infrason.
Attention — période longue = fréquence basse : ne pas inverser infrason et ultrason.
Cas 5 · Calculer une distance avec un écho d’ultrasons
Réflexe — Δt = divisions × balayage, en secondes ; d = v × Δt ÷ 2 avec la célérité du milieu.
Exemple 1. Le sonar d’un bateau reçoit l’écho d’une épave 0,8 s après l’émission (eau de mer : 1 500 m/s).
d = 1 500 × 0,8 ÷ 2 = 600 m.
Exemple 2. En échographie, un écho revient 52 µs après l’émission (tissus : 1 540 m/s).
d = 1 540 × 0,000 052 ÷ 2 ≈ 0,040 m, soit environ 4 cm.
Attention — Δt se lit du début de la salve au début de l’écho, et correspond à l’aller-retour.
Les pièges
- Croire que la matière part avec l’onde : le flotteur, l’épi de blé ou l’air reviennent à leur place, seule la perturbation avance.
- Prendre la durée de plusieurs motifs pour la période, ou calculer 1 ÷ T avec T en millisecondes.
- Confondre amplitude (intensité) et période (hauteur) : un son plus fort n’est pas plus aigu.
- Classer en ultrason un son de longue période : plus de 50 ms, c’est un infrason.
- Oublier le ÷ 2 de l’aller-retour, ou prendre 340 m/s dans l’eau ou dans le corps.
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