SOC3 - VITESSE DE PROPAGATION DES SIGNAUX

Physique Des signaux pour observer et communiquer #3

Attendus de fin de cycle Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores...)

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Chapitre SOC3 Vitesse de propagation des signaux

Feux d'artifice à Paris. Entend-on toujours l'explosion en même temps que l'on voit les bouquets lumineux paraître ?

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Index

Activités 3 & 4

Activité 2

Activité 1

Les activités expérimentales ou documentaires réalisées en classe, les bilans à recopier et à apprendre avec les notions-clés du chapitre

Bilan 3

Bilan 4

Bilan 1

Bilan 2

1. La lumière, une vitesse finie

• La lumière ne se propage pas de manière instantanée mais possède une vitesse mesurable : dans le vide, la vitesse de la lumière est exactement de 299 792 458 m/s.
• La vitesse de la lumière n’est pas la même dans tous les milieux transparents. Dans un milieu transparent, la lumière se propage moins vite que dans le vide.
• Dans l’air, la vitesse de la lumière est presque la même que dans le vide. Dans l’air et le vide, la vitesse de la lumière est donc approximativement de 300 000 km/s soit 3 x 108 m/s.

Activité 1

2. L’année-lumière

• L’année-lumière (a.l.) est une unité de distance.
• Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année, à la vitesse de 299 792 458 m/s.
• 1 a.l. ≈ 9,5 x 1012 km soit 9 500 milliards de km.
• Les distances dans l’univers sont extrêmement grandes. Exprimées en années-lumière, ces distances correspondent à des nombres faciles à utiliser, alors que l’utilisation du km fait manipuler des nombres si grands qu’ils deviennent difficiles à utiliser.
• Plus un signal lumineux provient de loin, plus il nous permet de voir loin dans le passé et de nous informer sur l’histoire de l’Univers.

Activité 2

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🧲 L'année-lumière

Physique-chimie ‖ Collège

Video

Cette vidéo définit la notion d'année-lumière et présente des exercices pour bien la comprendre.

3. Vitesse du son

• La vitesse du son dans l’air à 15°C est de 340 m/s. Elle est environ 880 000 fois plus faible que celle de la lumière. Cest pourquoi on voit l'éclair avant d'entendre la tonnerre.
• La vitesse du son dépend du milieu de propagation (dans un milieu plus dense, liquide ou solide, le son se propage plus vite que dans l'air) et de sa température (la vitesse du son dans l'air augmente avec la température). La vitesse du son dans l'air ne dépend pas de sa fréquence, ni de son niveau sonore.

Activité 3

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🧲 Le son et ses propriétés

Physique-chimie ‖ Collège

Video

Cette vidéo présente les différentes propriétés du son.

4. Signaux et mesure de distance

• Les signaux lumineux, tout comme les signaux sonores, peuvent être utilisés pour déterminer des distances.
• Après avoir mesuré la durée t de propagation du signal et connaissant sa vitesse v de propagation, pour déterminer la distance d, on peut utiliser la relation : d = v × t
• Dans le Système International, la distance d est exprimée en mètre (m), la vitesse v est exprimée en mètre par seconde (m/s) et la durée t est exprimée en seconde (s).

• Lorsque le signal se réfléchit sur un obstacle, il parcourt deux fois la distance entre l’émetteur et l’obstacle puisqu’il fait un aller-retour.

Activité 4

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📝🧲 Exercices de calculs liés au son

Video

Cette vidéo présente trois exercices de calcul corrigés en lien avec le son.

La lumière, une vitesse finie

"Comment les scientifiques ont-ils prouvé que la lumière n’a pas une vitesse infinie ?"

Eliot découvre dans une revue scientifique la valeur de la vitesse de la lumière : 300 000 km/s. Il la trouve stupéfiante et se dit que ça ne fait pas de réelle différence avec une vitesse vraiment infinie.

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Vitesse de la lumière #1Finie ou infinie ?

Video

299 792,458 km/s est la mesure actuelle de la vitesse de la lumière. Le savant arabe Alhazen, au Xe siècle, est le premier à douter de son instantanéité et Galilée, au XVIIe siècle, le premier à tenter d'en mesurer la propagation... Un épisode de la série Histoire de la mesure de la vitesse de la lumière.

Les mesures de la vitesse de la lumière au cours des siècles

La lumière, messager du passé

"Quelle information nous apporte la lumière provenant des étoiles ?"

Des télescopes de plus en plus perfomants, comme le téléscope spatial James Webb, nous permettent d'explorer l'Univers le plus loin possible.

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La lumière de l'Univers

Comment étudier les astres quand on ne peut pas les approcher ? En exploitant toutes les propriétés de la lumière qu’ils nous envoient.

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L'année-lumière

L’Univers est essentiellement constituée de vide et les distances séparant les astres sont gigantesques. Au lieu de les exprimer en kilomètre, les astronomes préfèrent utiliser des unités beaucoup plus grandes comme l’année-lumière.L’année-lumière (al ou a.l.) est une unité de longueur égale à la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année.

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La galaxie d'Andromède est située à 2,5 millions d'années-lumière de la Terre.

Voir loin dans le passé

Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de la Terre après le Soleil, est située à 4,24 al de la Terre. Cela signifie que la lumière provenant de cette étoile met 4,24 ans pour arriver jusqu’à nous. Ainsi, observer cette étoile aujourd’hui avec un télescope, c’est la voir telle qu’elle était il y a 4,24 ans ! Voir loin, c’est donc voir dans le passé... Le télescope spatial Hubble situé à 600 km d’altitude au-dessus de la Terre depuis 1990, a réussi à capter des lumières qui ont mis quelques 13,2 milliards d’années à nous parvenir. Les astronomes ont ainsi vu une partie de l’Univers tel qu’il était il y a 13,2 milliards d’années. Il n’était alors âgé que de quelques centaines de millions d’années, puisque le Big Bang a eu lieu il y a environ 13,8 milliards d’années.

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Proxima du Centaure.

La vitesse du son, des mesures historiques

"Le son se propage-t-il toujours à la même vitesse ?"

La natation synchronisée, appelée natation artistique depuis l'été 2017, est un sport nautique, mélange de gymnastique, de danse et de natation qui se pratique en piscine et qui a intégré le programme olympique en 1984 aux Jeux de Los Angeles. Cette discipline demande de la concentration pour suivre le rythme musical, les haut-parleurs diffusant la musique dans la salle mais aussi dans l'eau.

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La nuit du 21 juin 1822

Une des expériences historiques permettant de déterminer la vitesse du son dans l'air a été réalisée par François Arago, Louis Joseph Gay-Lussac et Gaspard de Prony en 1822 près de Paris sur ordre du Bureau des Longitudes. Présenté ci-dessous, l'extrait du traité élémentaire de physique (1836) de Monsieur l'abbé Pinault relate cette expérience.

Les deux stations que l'on avait choisies étaient Villejuif et Montlhéry. À Villejuif, le capitaine Boscary fit déposer, sur un point élevé, une pièce de six, avec des gargousses de deux et trois livres de poudre1. À Montlhéry, le capitaine Pernetty fit déposer une pièce de même calibre, avec des gargousses de même poids. Les expériences furent faites de nuit et commencèrent à onze heures du soir, le 21 et le 22 juin 1822. De Villejuif on apercevait très distinctement le feu de l'explosion de Montlhéry et vice versa : le ciel était serein et à peu près calme. La température de l'atmosphère était de 15,9 degrés Celsius. Les coups de canon des deux stations opposées étaient réciproques, de sorte que les résultats ne fussent pas influencés par le vent. Chacun des observateurs notait sur son chronomètre le temps qui s'écoulait entre l'apparition de la lumière et l'arrivée du son. On peut prendre 54,6 secondes pour le temps moyen que le son mettait à passer d'une station à l'autre. Les deux canons étaient à une distance de 9 549,6 toises2.

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La fréquence et le niveau sonore

Au XVIIe siècle, le philosophe et scientifique français Pierre Gassendi (1592-1655) écrit : "Que le son se fasse par une grande machine, telle qu'un canon (son grave), ou par une petite, telle qu'un mousquet (arme à feu portative émettant un son aigu), la vitesse reste la même ". Le scientifique a en effet montré que la vitesse de propagation du son dans l'air ne dépend pas de sa fréquence. En 1738, des expériences réalisées par Jacques-Philippe Maraldi (1665-1729), astronome et mathématicien français, montrent qu'un son "fort" se déplace à la même vitesse qu'un son "faible".

La vitesse du son dans l'eau

En 1826, sur le lac Léman situé entre la France et la Suisse, Jean-Daniel Colladon (1802-1893), physicien et ingénieur suisse, et Charles Strum (1803-1855), mathématicien français, réalisent les premières expériences de mesures précises de la vitesse de propagation du son dans l'eau. Les deux scientifiques se placent sur deux barques éloignées l'une de l'autre. J.-D. Colladon produit un son en frappant une cloche immergée avec un marteau et, au même instant, émet un signal lumineux. Lorsque C. Sturm perçoit le signal lumineux, il déclenche son chronomètre et mesure le temps nécessaire pour que le son parvienne à un cornet acoustique placé sous l'eau. Après plusieurs mesures, ils déterminent la vitesse de propagation du son dans l'eau : 1 435 m/s.

Signal sonore et mesure de distances

"A quelle profondeur le Titanic est-il échoué ?"

Le Titanic est un paquebot transatlantique britannique qui a coulé dans l'océan Atlantique Nord le 15 avril 1912 à la suite d'une collision avec un iceberg, lors de son voyage inaugural de Southampton à New York. L'épave du Titanic a été localisée le 1er septembre 1985 grâce à un submersible (sous-marin) miniature équipé de caméras.

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Le fonctionnement du sonar

Lorsqu'un signal sonore heurte un obstacle, il est réfléchi et revient en direction de son point de départ : c'est le phénomène d'écho. Les bateaux utilisent des sonars, dispositifs situés sous leur coque qui permettent de sonder les fonds marins en émettant un signal de très haute fréquence dit "ultrasonore". Lorsque ces ultrasons, inaudibles pour les êtres humains, se réfléchissent sur un banc de poisson ou un sous-marin par exemple, le sonar mesure le temps écoulé entre le moment de l'émission du signal et le moment du retour à son point initial.

La position de l'épave du Titanic

Vitesse du son et milieu de propagation

Après sa localisation, des recherches plus poussées utilisant la technologie du sonar ont permis de confirmer la position de l'épave et de préciser à quelle profondeur elle se trouvait. Depuis la surface de l'eau, les scientifiques ont observé qu'il s'écoulait 5,2 s entre l'émission du signal et son retour au point de départ.

L'essentiel !

Chapitre SOC3 - Vitesse de propagation des signaux

La vitesse de la lumière dans le vide et dans l'air vaut environ 300 000 km/s.

# 1

Les distances dans l'Univers s'expriment en années-lumière. Cette unité correspond à la distance parcourue par la lumière en une année.

# 2

# 3

La vitesse du son dans l'air est de 340 m/s.

La vitesse très importante de la lumière fait de celle-ci un outil de mesure de distance performante à l'échelle terrestre.

# 4

Eureka!

Merci de votre attention !

Pensez à apprendre votre cours.

La lumière de l'Univers

L’astronome étudie des objets très lointains : il est impossible de s’en rapprocher, sauf pour ceux du Système solaire. Et même pour ceux-là, l’exploration est très difficile. La seule chose ou presque que l’on peut connaitre de l’Univers sont les signaux qui nous en parviennent sous forme de particules ou d’ondes dont principalement la lumière, à la fois onde et particule. La lumière a de nombreuses propriétés qui sont étudiées en laboratoire. Pendant longtemps, certaines autres propriétés n’ont été connues que par la théorie. L’astronome sait utiliser toutes ces propriétés de la lumière pour mieux comprendre les objets célestes qui nous l’envoient.

Source : Observatoire de Paris-PSL