Les signaux lumineux et sonores en 3ᵉ : cours, exercices et méthode pour le brevet

Du signal à l’information

Un signal est une variation mesurable qui transporte une information. Un signal lumineux est lié à la lumière ; un signal sonore est lié à une vibration du milieu. Pour décrire une communication, repère toujours trois éléments : la source, le milieu de propagation et le récepteur. La source produit le signal. Une ampoule, une étoile, une flamme ou l’écran d’un téléphone peuvent produire de la lumière. Un haut-parleur, une corde de guitare ou des cordes vocales peuvent produire un son. Le milieu est ce que traverse le signal. Le récepteur capte le signal et permet d’obtenir l’information : ton œil reçoit de la lumière, ton oreille reçoit un son, un microphone reçoit des vibrations sonores et un capteur lumineux reçoit de la lumière. Ne confonds pas la source avec le récepteur : une lampe émet de la lumière, mais un miroir ne crée pas la lumière qu’il renvoie. Le trajet d’un signal lumineux peut être représenté par un rayon. Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. Cette règle est valable dans ce modèle précis : elle ne permet pas de décrire sans précaution un trajet qui change de milieu, par exemple de l’air vers l’eau. Un son provient d’une vibration. Cette vibration met en mouvement les particules du milieu voisin, qui transmettent à leur tour la perturbation. Le signal sonore se propage ainsi de proche en proche. Tu dois distinguer le signal lui-même de l’information transportée. Une sirène peut transmettre l’information « un véhicule arrive » ; le signal reçu par l’oreille est une vibration de l’air. Premier réflexe de Coach Vince : avant tout calcul, dessine mentalement ou sur ton brouillon la chaîne source → milieu → récepteur.

Lumière et son : comparaison indispensable

Caractériser la lumière : couleur, longueur d’onde et spectre

Un signal lumineux peut aussi être caractérisé par sa couleur. Une lumière rouge, verte ou bleue ne correspond pas à la même lumière : elles possèdent des longueurs d’onde différentes. La longueur d’onde, notée λ, s’exprime en mètre, souvent avec des sous-multiples adaptés comme le nanomètre. Dans le vide, les différentes lumières visibles se propagent toutes à la même vitesse, voisine de 3,0 × 10⁸ m/s : leur couleur ne dépend donc pas de leur vitesse de propagation. La lumière visible par l’œil humain s’étend approximativement du violet au rouge. Le violet correspond à une longueur d’onde plus petite que le rouge. Une lumière blanche peut être décomposée en plusieurs couleurs : on obtient alors un spectre, comme avec un prisme ou un arc-en-ciel. Un spectre continu présente toutes les couleurs du violet au rouge sans interruption. Au niveau 3ᵉ, retiens surtout que la couleur, la longueur d’onde et le spectre permettent de mieux décrire un signal lumineux. Attention à ne pas confondre une lumière colorée et un objet coloré : un objet rouge n’émet pas forcément de lumière rouge ; il peut renvoyer principalement la lumière rouge qu’il reçoit. Coach Vince te conseille de préciser la grandeur demandée : pour un son, la fréquence est en Hz ; pour la lumière, on peut parler de couleur, de longueur d’onde ou de spectre.

Calculer une durée ou une distance sans perdre le fil

• Utilise la relation d = v × Δt uniquement lorsque la vitesse v est constante pendant le trajet étudié. d est une distance, v une vitesse et Δt une durée de propagation.
• Choisis des unités cohérentes avant de remplacer par des nombres. Si v est en m/s, d doit être en m et Δt en s. Si la durée est donnée en ms, convertis-la en s : 250 ms = 0,250 s. Si la distance est en km, convertis-la en m si la vitesse est en m/s.
• Isole la grandeur cherchée avec soin. Pour une durée : Δt = d ÷ v. Pour une vitesse : v = d ÷ Δt. Écris d’abord la relation littérale adaptée ; cette ligne montre ton raisonnement.
• Remplace ensuite chaque lettre par sa valeur et son unité. Exemple : un son parcourt 680 m dans l’air à 340 m/s. Δt = d ÷ v, donc Δt = 680 ÷ 340 = 2,0 s.
• Contrôle le résultat. Une distance obtenue avec une vitesse en m/s et une durée en s doit être exprimée en m. Une durée de propagation lumineuse sur quelques kilomètres est très petite ; si tu trouves plusieurs secondes, ton calcul ou tes unités sont à revoir.
• Pour localiser un obstacle avec un écho, le signal fait un aller puis un retour. La durée mesurée correspond aux deux trajets. La distance entre l’émetteur et l’obstacle vaut donc d = v × Δt ÷ 2, à condition que l’écho suive le même trajet au retour et que la vitesse reste la même.

Éclair et tonnerre : ce que mesure vraiment le retard

Fréquence, hauteur et écoute responsable

Un son peut être caractérisé par sa fréquence, notée f et exprimée en hertz, de symbole Hz. La fréquence indique le nombre de vibrations produites en une seconde. Elle est liée à la hauteur du son : à condition de comparer des sons dans des conditions similaires, une fréquence plus grande correspond à un son plus aigu ; une fréquence plus faible correspond à un son plus grave. La hauteur ne doit pas être confondue avec le volume sonore. Le volume perçu dépend notamment de l’amplitude de la vibration et de la sensibilité de l’oreille ; il ne dit pas si le son est aigu ou grave. Deux instruments peuvent jouer une note de même hauteur tout en étant reconnaissables : leur timbre est différent, car leurs vibrations ne présentent pas exactement la même forme. La vitesse de propagation du son n’est pas sa fréquence. Un son aigu et un son grave se propagent dans un même milieu à des vitesses comparables, mais ils n’ont pas la même fréquence. Les risques auditifs sont liés à une exposition sonore trop intense, trop longue ou répétée. Une fatigue auditive, des sifflements ou une gêne après une écoute sont des signaux à prendre au sérieux. Pour préserver ton audition, éloigne-toi d’une source très sonore, baisse le niveau d’écoute et limite le temps passé dans un environnement bruyant. En science, formule précisément : « la fréquence augmente, donc le son devient plus aigu » est correct ; « la vitesse augmente, donc le son devient plus aigu » ne l’est pas. En finale, relis les mots-clés de la question : source, milieu, récepteur, vitesse, durée, distance, fréquence ou hauteur. Chacun désigne une idée différente.