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Seconde · Physique-Chimie · Chapitre 3

Ondes et signaux : lumière, son et électricité

Ce que tu sauras faire

  • Utiliser le modèle du rayon lumineux et exploiter la vitesse de la lumière pour calculer une durée, une distance ou une année-lumière.
  • Énoncer et appliquer les lois de Snell-Descartes pour la réflexion, puis pour la réfraction, et déterminer un indice de réfraction.
  • Calculer un angle limite et prévoir une réflexion totale, puis l'appliquer à la fibre optique.
  • Interpréter la dispersion de la lumière blanche, et distinguer un spectre continu, un spectre de raies d'émission et un spectre de raies d'absorption.
  • Construire l'image d'un objet plan donnée par une lentille mince convergente et en déterminer la position, la taille et le sens.
  • Calculer un grandissement et interpréter son signe.
  • Relier période, fréquence et hauteur d'un son, exploiter un oscillogramme et calculer une vitesse de propagation.
  • Exploiter un niveau d'intensité sonore exprimé en décibels et évaluer un risque auditif.

Au programme du chapitre

  1. La lumière se propage en ligne droite
  2. La réflexion de la lumière
  3. La réfraction et les lois de Snell-Descartes
  4. Dispersion, spectres et couleurs
  5. Les lentilles minces convergentes et la formation d'une image
  6. Le son, un signal qui exige de la matière
  7. Les caractéristiques d'un signal sonore
  8. Les circuits électriques : loi des nœuds et loi des mailles
  9. La caractéristique d'un dipôle et les capteurs

Exercices corrigés

Exercice 1

Le spectre de la lumière d'une étoile est continu, mais barré de raies noires. Explique comment ces raies renseignent sur la composition de l'étoile, et pourquoi elles sont noires et non colorées.
Un coup de pouce
Demande-toi ce qui est émis, ce qui est retiré, et par quoi.
Voir la correction pas à pas
La surface de l'étoile est un corps dense et très chaud : elle émet un spectre continu, qui contient toutes les longueurs d'onde. Cette lumière traverse ensuite l'atmosphère de l'étoile, constituée de gaz plus froids.
Chaque élément chimique n'interagit qu'avec des radiations bien précises, toujours les mêmes : ce sont exactement celles qu'il émettrait s'il était chaud. En traversant le gaz froid, ces radiations sont absorbées et n'atteignent pas l'observateur. À leur place, le spectre présente donc un manque, qui apparaît noir.
Il suffit alors de comparer la position des raies manquantes aux spectres de raies connus au laboratoire pour identifier les éléments : une raie à 656,3656{,}3 nm signe l'hydrogène, un doublet à 589,0589{,}0 et 589,6589{,}6 nm signe le sodium. Les raies sont noires parce qu'elles marquent une absence, pas une émission.

Exercice 2

Deux haut-parleurs identiques produisent chacun 70 dB en un point. Un élève annonce 140 dB quand les deux fonctionnent ensemble. Corrige, en expliquant ce qui s'additionne réellement.
Un coup de pouce
Reviens à la grandeur physique que le décibel représente, et demande-toi laquelle des deux s'ajoute.
Voir la correction pas à pas
Ce qui s'additionne, ce sont les intensités sonores II, en watts par mètre carré, pas les niveaux en décibels.
Un niveau de 70 dB correspond à I1=I0×107,0=10−12×107=1,0×10−5I_1 = I_0 \times 10^{7{,}0} = 10^{-12} \times 10^{7} = 1{,}0 \times 10^{-5} W/m². Avec deux sources, l'intensité devient I=2,0×10−5I = 2{,}0 \times 10^{-5} W/m², donc
L=10log⁡(2,0×10−51,0×10−12)=10log⁡(2,0×107)=73,0 dB.L = 10 \log \left( \frac{2{,}0 \times 10^{-5}}{1{,}0 \times 10^{-12}} \right) = 10 \log(2{,}0 \times 10^{7}) = 73{,}0 \text{ dB.}
Doubler l'intensité n'ajoute donc que 3 dB, et non 70. La valeur 140 dB dépasserait d'ailleurs le seuil de douleur, ce qui aurait dû alerter : deux enceintes de salon ne font pas mal aux oreilles. Le décibel est une échelle logarithmique, construite justement pour comprimer une gamme d'intensités gigantesque.

Les pièges à éviter

  • Mesurer l'angle d'incidence par rapport à la surface au lieu de la normale.
  • Oublier le facteur 2 dans un écho, un sonar ou une télémétrie laser.
  • Écrire « l'année-lumière vaut un an » ou l'utiliser comme une durée.
  • Chercher un angle limite du milieu le moins réfringent vers le plus réfringent.

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