Physique-chimie, Quatrième • Exercices corrigés à Montréal
Le chapitre du son se joue sur des LECTURES : lire un oscillogramme, lire une échelle de décibels, lire un énoncé d'écho. Le calcul, lui, tient en deux formules. Cette fiche traite donc les confusions de lecture, qui sont exactement ce que le contrôle évalue.
Elle est écrite pour les élèves de Quatrième du programme français, à Montréal comme ailleurs. La série d'exercices corrigés du même chapitre met ensuite chaque réflexe à l'épreuve.
Le fil du chapitre
Un son est une vibration qui a besoin de MATIÈRE pour voyager. Sur un oscillogramme, deux lectures indépendantes se confondent tout le temps : le serrement des motifs donne la hauteur, la taille de la courbe donne le niveau sonore.
Toutes les scènes de film où une explosion se fait entendre dans l'espace sont fausses, et c'est l'exemple que les contrôles reprennent le plus souvent.
Compter les motifs sur toute la largeur de l'écran plutôt qu'un seul divise l'erreur de lecture par le nombre de motifs : c'est un réflexe qui rapporte un demi-point à chaque exercice.
La durée d'exposition sans danger est DIVISÉE PAR DEUX à chaque décibels supplémentaires : heures à décibels, mais seulement heures à .
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« On entendrait l'explosion depuis la station spatiale. »
Ce qu'il faut écrire
« Le son a besoin d'un milieu matériel : dans le vide, il n'y a aucune particule pour transmettre la vibration de proche en proche, donc aucun son. »
Pourquoi : L'expérience de la cloche à vide le montre directement : on voit toujours le marteau frapper la sonnerie, on ne l'entend plus. La lumière, elle, traverse le vide sans problème.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La courbe est plus haute, donc le son est plus aigu. »
Ce qu'il faut écrire
« Une courbe plus HAUTE signifie une plus grande amplitude, donc un son plus FORT. C'est le SERREMENT des motifs qui rend le son plus aigu. »
Pourquoi : Le mot « haut » est piégeux : en français courant, un son haut est un son aigu, alors que sur l'écran la hauteur de la courbe mesure le niveau sonore. Les deux lectures sont sur deux axes différents.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ms, donc hertz. »
Ce qu'il faut écrire
« ms s, donc hertz. »
Pourquoi : Le hertz est défini comme l'inverse de la SECONDE. Une fréquence de hertz correspondrait à une vibration toutes les cinq secondes, ce qu'aucune oreille ne pourrait entendre.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le mur est à m et l'écho revient en s, donc m/s. »
Ce qu'il faut écrire
« Le son fait l'aller ET le retour, soit m en s : m/s. »
Pourquoi : La durée mesurée est celle du trajet complet. Le contrôle est immédiat : la vitesse du son dans l'air vaut environ m/s, et un résultat de signale toujours l'oubli du facteur deux.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« L'air est plus léger, donc le son y circule plus facilement que dans l'acier. »
Ce qu'il faut écrire
« C'est l'inverse : m/s dans l'air, dans l'eau, dans l'acier. Plus les particules sont serrées et liées, plus la vibration se transmet vite. »
Pourquoi : La vibration se transmet par CONTACT entre particules. Dans un gaz, elles sont éloignées et il faut attendre qu'elles se rencontrent; dans un solide, elles sont liées et l'ébranlement passe presque instantanément.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Deux haut-parleurs de décibels chacun donnent décibels. »
Ce qu'il faut écrire
« L'échelle des décibels n'est pas ordinaire : deux sources identiques ajoutent seulement décibels, donc décibels. »
Pourquoi : Un doublement de la puissance sonore correspond à décibels. Additionner donnerait décibels, bien au delà du seuil de douleur, ce qui devrait alerter immédiatement.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Je n'entends rien, donc il n'y a pas de son. »
Ce qu'il faut écrire
« L'oreille humaine perçoit de à hertz. En dessous ce sont des INFRASONS, au dessus des ULTRASONS : ils existent et se mesurent, mais ils ne s'entendent pas. »
Pourquoi : Le domaine audible est une propriété de l'OREILLE, pas du son. Les chauves-souris se dirigent aux ultrasons et l'échographie s'en sert pour voir à l'intérieur du corps.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Il y a quatre motifs sur l'écran, donc la fréquence vaut hertz. »
Ce qu'il faut écrire
« On mesure d'abord la PÉRIODE : quatre motifs en ms donnent ms. La fréquence est ensuite hertz. »
Pourquoi : L'écran affiche une durée, pas une seconde entière : le nombre de motifs visibles ne peut donc pas être une fréquence. Le passage obligé est la période, exprimée en secondes.
Toutes les questions de lecture graphique se ramènent à deux axes : l'horizontal porte le temps, le vertical porte l'amplitude. On regarde lequel la question concerne.
Si « ce son est-il aigu ou grave », « quelle est sa fréquence » → axe HORIZONTAL : mesurer la période, puis
Exemple : des motifs plus serrés donnent un son plus aigu
Si « ce son est-il fort ou faible », « comparer les niveaux sonores » → axe VERTICAL : comparer les amplitudes, sans toucher à la fréquence
Exemple : une courbe deux fois plus haute est un son plus fort, de même hauteur
Si « comparer deux enregistrements » → répondre sur les DEUX lectures séparément, car elles sont indépendantes
Exemple : même fréquence et amplitude doublée : même hauteur, son plus fort
Un tableau à deux colonnes, période et amplitude, évite toute confusion et se rédige plus vite qu'un paragraphe.
Si « le son est-il audible » → calculer la fréquence, puis la comparer aux bornes Hz et Hz
Exemple : Hz est audible; Hz est un ultrason
Pour mesurer la période, compter PLUSIEURS motifs sur toute la largeur de l'écran puis diviser : l'erreur de lecture est ainsi divisée par le nombre de motifs.
Trois formules seulement, et le seul choix à faire est celui du facteur deux dans les problèmes d'écho.
Si on donne une distance et une durée, sans obstacle → directement
Exemple : m en s donnent m/s
Si l'énoncé parle d'ÉCHO, de réflexion, de sonar ou d'échographie → , car le son fait l'aller et le retour
Exemple : m et s donnent m/s
Autrement dit, la distance à l'obstacle vaut , et c'est la forme utile quand on cherche la profondeur d'un fond marin.
Si on donne la période et l'on demande la fréquence → , après conversion de en SECONDES
Exemple : ms donne Hz
Si on donne la fréquence et l'on demande la période → , résultat en secondes que l'on convertit ensuite si besoin
Exemple : Hz donne s, soit ms
La vitesse dépend du MILIEU, jamais de la fréquence ni du niveau sonore : un son grave et un son aigu arrivent en même temps, sinon un orchestre entendu de loin serait inaudible.
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Quand l'utiliser : L'énoncé décrit une expérience avec une distance et un chronométrage, avec ou sans écho.
Phrase de conclusion
Le son ayant parcouru mètres en seconde, sa vitesse dans l'air vaut mètres par seconde.
Le piège : Oublier le facteur deux et rendre m/s. Le résultat est deux fois trop petit, et rien dans le calcul ne le signale : seule la comparaison à la valeur connue de m/s permet de s'en apercevoir.
Barème : En général 1 point pour le trajet décrit avec l'aller-retour, 1 point pour la formule, 1 point pour le calcul avec l'unité.
Quand l'utiliser : L'énoncé fournit un écran d'oscilloscope avec sa base de temps et demande la fréquence, la hauteur ou le niveau sonore.
Phrase de conclusion
L'écran affiche motifs en millisecondes, donc ms s et hertz : ce son est audible et plutôt grave.
Le piège : Mesurer un seul motif à vue. L'incertitude de lecture porte alors entièrement sur cette mesure, alors qu'en comptant quatre motifs on divise l'erreur par quatre.
Barème : 1 point pour la durée totale de l'écran, 1 point pour la période, 1 point pour la conversion et la fréquence, 1 point pour l'interprétation.
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Vérifier que la période est en SECONDES avant de l'inverser
Relire l'unité de juste avant le calcul de . Une période en millisecondes donne une fréquence mille fois trop petite, sans qu'aucun signe ne l'indique.
ms donne Hz, pas Hz. Un résultat inférieur à Hz pour un son entendu est toujours suspect.
Comparer la fréquence au domaine audible
Un son que l'énoncé décrit comme entendu doit avoir une fréquence entre et hertz. En dehors, c'est le calcul qui est faux, pas l'oreille.
Une fréquence trouvée à Hz ou à Hz pour une note de guitare signale une conversion manquée.
Contrôler la vitesse trouvée par la valeur du milieu
Comparer le résultat aux trois valeurs de référence : m/s dans l'air, dans l'eau, dans l'acier. Une vitesse deux fois trop petite dans l'air trahit un écho non divisé.
m/s n'existe dans aucun milieu : c'est la signature du facteur deux oublié.
Relire séparément la hauteur et le niveau sonore
Sur une comparaison de deux oscillogrammes, répondre en deux phrases distinctes, l'une sur la fréquence, l'autre sur l'amplitude. Une seule phrase mêle presque toujours les deux.
« Même période, donc même hauteur » puis « amplitude doublée, donc son plus fort » : deux lectures, deux phrases, deux points.
Un élève frappe deux planches face à un mur situé à mètres. Il entend l'écho seconde après le choc.
1. Calculer la vitesse du son dans l'air.
2. L'oscillogramme du choc, enregistré sur un écran de millisecondes, montre motifs identiques. Calculer la période et la fréquence, puis dire si ce son est audible.
Étape 1
Le son parcourt m à l'aller et m au retour, soit m.
Pourquoi
C'est l'étape que la moitié des copies saute. L'énoncé donne la distance au MUR, pas la distance parcourue : le doublement se fait ici, avant toute formule.
Étape 2
m/s.
Pourquoi
On écrit la formule puis on substitue, en gardant les unités. Des mètres divisés par des secondes donnent bien des mètres par seconde.
Étape 3
Contrôle : la vitesse du son dans l'air à degrés vaut environ m/s. La mesure est donc cohérente.
Pourquoi
Cette comparaison est la seule façon de détecter l'oubli du facteur deux : le calcul sans doublement aurait donné m/s, une valeur qui n'existe dans aucun milieu.
Étape 4
L'écran couvre ms et affiche motifs, donc la période vaut ms.
Pourquoi
On compte les motifs sur TOUTE la largeur avant de diviser. Mesurer un seul motif à vue laisserait toute l'incertitude de lecture sur cette unique mesure.
Étape 5
Conversion : ms s.
Pourquoi
Le hertz est l'inverse de la seconde : sans cette conversion, la fréquence sortirait mille fois trop petite, et le calcul suivant serait faux sans que rien ne l'indique.
Étape 6
Hz.
Pourquoi
Diviser par un nombre plus petit que donne un résultat plus grand que : une fréquence inférieure à l'unité signalerait immédiatement la conversion oubliée.
Étape 7
Audibilité : , donc ce son est audible par l'oreille humaine, et il est plutôt grave.
Pourquoi
On répond à la question posée en comparant aux deux bornes du domaine audible, et l'on ajoute l'interprétation, aigu ou grave, que l'énoncé attend presque toujours ensuite.
Conclusion rédigée
La vitesse du son dans l'air vaut mètres par seconde. L'oscillogramme donne ms s et hertz : ce son est audible et plutôt grave.
L'erreur classique sur cet exercice : Écrire m/s en oubliant le retour, puis Hz en oubliant la conversion. Les deux erreurs se ressemblent : dans les deux cas, un facteur a été laissé de côté, et seul le contrôle par les valeurs de référence les révèle.
Parce que le son est une vibration qui se transmet de particule en particule, et que le vide n'en contient presque aucune. L'expérience de la cloche à vide le montre : on voit toujours la sonnerie vibrer, on ne l'entend plus. La lumière, elle, traverse le vide sans difficulté, ce qui explique qu'on voie une explosion sans l'entendre.
On ne la lit pas directement. On mesure d'abord la période, c'est à dire la durée d'un motif, en comptant plusieurs motifs sur toute la largeur de l'écran et en divisant. On convertit ensuite cette période en secondes, puis on prend son inverse : quatre motifs en vingt millisecondes donnent cinq millisecondes, soit deux cents hertz.
La hauteur dit si le son est aigu ou grave et dépend de la fréquence, donc du serrement des motifs sur l'écran. Le niveau sonore dit s'il est fort ou faible et dépend de l'amplitude, donc de la taille de la courbe. Les deux sont indépendants : un son peut être aigu et faible, ou grave et fort.
Parce que le son va jusqu'à l'obstacle puis revient : la durée mesurée correspond à un aller-retour. La distance réellement parcourue vaut donc le double de la distance à l'obstacle. Oublier ce facteur donne une vitesse deux fois trop petite, et le contrôle est simple, la vitesse du son dans l'air vaut environ trois cent quarante mètres par seconde.
Non. L'échelle des décibels n'est pas ordinaire : doubler la puissance sonore n'ajoute que trois décibels, donc deux sources identiques de quatre-vingts décibels donnent quatre-vingt-trois décibels. Cent soixante décibels dépasseraient largement le seuil de douleur, fixé à cent vingt décibels, ce qui devrait alerter tout de suite.
