P6. Lumière & Son
La lumière et le son sont deux types d’ondes qui nous sont très familières et qui nous permettent de percevoir directement notre environnement, par la vue et par l’ouïe. Dans ce chapitre, nous allons voir quelques propriétés des ces ondes.
Propagation de la lumière
- Lumière : sources, propagation, vitesse de propagation, année-lumière.
- Distinguer une source primaire (objet lumineux) d’un objet diffusant.
- Modèle du rayon lumineux.
- Utiliser l’unité « année-lumière » comme unité de distance.
Source primaire et source secondaire
Pour voir un objet, il faut que de la lumière issue de cet objet arrive jusqu’à nos yeux.
Certains objets émettent leur propre lumière (le soleil, une ampoule, un écran de téléphone, une luciole…). On les appelle des sources primaires. Ils peuvent être vus même dans l’obscurité.
Les autres objets reçoivent de la lumière d’une source lumineuse et la diffuse. Ce sont des sources secondaires. Il y a bien de la lumière « émise » par ces objets (sinon nous ne les verrions pas), mais cette lumière est produite par autre chose qu’eux-même. Regardez autour de vous : de jour, tout ce que nous voyons (ou presque) diffuse la lumière du Soleil. 😎
Oui, c’est vrai ! Nous la voyons même quand nous sommes dans l’obscurité. Mais la Lune, elle, n’est pas dans l’obscurité. Elle est éclairée par le Soleil, et c’est pour ça que nous la voyons.
Modèle du rayon lumineux
Nous pouvons expliquer un certain nombre d’observations de la vie quotidienne si nous décrivons la lumière émise ou diffusée par un objet par un rayon lumineux. Un rayon lumineux est un segment de droite qui part de la source lumineuse et qui s’arrête au premier obstacle.
Cette modélisation permet, par exemple, de prévoir ou d’expliquer la formation des ombres.
Visible ou non visible ?
O joue avec ses camarades A, B, C, D, E et F. Indiquer, d’après le schéma ci-dessous, qui O est-il capable de voir sans se déplacer. Les traits en bleu sont des obstacles qui bloquent la lumière (des murs, par exemple).
Correction
Propagation de la lumière
La lumière peut se propager dans le vide et dans les matériaux transparents (eau, air, verre…). C’est dans le vide que la lumière est la plus rapide : elle se propage à la vitesse d’environ 300.000 km/s (exactement 299.792,458 km/s).
L’année-lumière
Sur Terre, la vitesse de la lumière est tellement élevée, que le temps qu’elle met pour se propager de sa source (un éclair, par exemple) à nous est négligeable. Ainsi, si nous voyons un éclair qui a lieu à 30 km de nous, la lumière met 30÷300.000 = 0,0001 s pour nous parvenir.
Un signal lumineux qui parcourt une fibre optique reliant l’Amérique du Nord à l’Europe met environ 0,02 seconde à traverser l’Atlantique.
Mais dans l’espace, les distances sont tellement grandes que le temps que la lumière met pour parcourir la distance qui sépare la source de la Terre n’est plus du tout négligeable. Par exemple, pour parcourir la distance Lune-Terre, la lumière met environ 1,3 seconde.
La lumière émise par le Soleil, situé à 150 millions de kilomètres de nous, met un peu plus de 8 minutes à nous parvenir.
Et lorsque nous nous intéressons aux objets situés en dehors de notre système solaire (les étoiles, les autres galaxies), les distances deviennent gigantesques ! Inimaginablement grandes ! 😮
C’est pour cette raison que l’on parle de ces distances en années-lumière.
L’année-lumière
Retrouver, par le calcul, la valeur de l’année-lumière en kilomètres.
Correction
Quelques exemples de distances astronomiques
- Étoile la plus proche du système solaire (Proxima du Centaure) : 4,3 a-l
- Exoplanète habitable connue la plus proche : 100 a-l
- Diamètre de notre galaxie : 100.000 a-l environ
- Galaxie la plus proche de nous (Andromède) : 2,5 millions d’année-lumière
Voyager 1
Voyager 1 est une sonde lancée en septembre 1977, il y a plus de 45 ans. C’est l’objet de fabrication humaine le plus lointain de la Terre. Elle a parcouru environ 23 milliards de kilomètres, et continue de s’éoilgner du système solaire à la vitesse de 17 km/s par rapport au Soleil.
1. Calculer, en années-lumière, la distance parcourue par Voyager 1 depuis son lancement.
2. À cette vitesse, combien de temps lui faudrait-il pour atteindre l’étoile la plus proche de nous (en supposant qu’elle se dirige dans la bonne direction, ce qui, dans la réalité, n’est pas le cas).
Correction
Le son
- Décrire les conditions de propagation d’un son. Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.
- Vitesse de propagation.
- Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.
Propagation du son
Le son, c’est une vibration de l’air qui se propage (ou plus généralement de la matière dans laquelle le son se propage, car le son ne se propage pas que dans l’air…).
Dans l’air, et à la pression atmosphérique usuelle, le son se propage à la vitesse d’environ 340 m·s-1. La vitesse du son peut être très différentes dans les autres matériaux. Par exemple, dans l’eau, le son se propage à environ 1,5 km/s.
Fréquence
La fréquence d’un son, c’est le nombre de vibrations chaque seconde. Par exemple, un son d’une fréquence de 300 Hz, c’est une vibration qui correspond à 300 aller-retours des molécules constituant l’air chaque seconde.
Plus la fréquence d’un son est élevée, plus celui-ci est aigü. La fréquence de la voix humaine est d’environ 100 à 300 Hz.
L’oreille humaine est sensible aux sons de fréquence comprise entre 20 Hz et 20.000 Hz (bien que cette sensibilité puisse varier selon les individus, et notamment selon leur âge). En-deçà de 20 Hz, on parle d’infrasons. Au-delà de 20 kHz, on parle d’ultrasons.