Signaux sonores et lumineux — Entraînement Brevet 2026

La hauteur d'un son (aigu ou grave) est déterminée par sa fréquence, qui s'exprime en hertz (Hz). Plus la fréquence est élevée (ex: 1000 Hz), plus le son est aigu. Plus la fréquence est basse (ex: 100 Hz), plus le son est grave. L'intensité correspond au volume (fort/faible), la durée au temps d'émission, et le timbre permet de distinguer deux instruments jouant la même note. Pour retenir: pensez a une voix d'homme (grave = basse fréquence) et une voix d'enfant (aigu = haute fréquence).

Le son est une onde mécanique qui necessite un milieu matériel pour se propager. Il se deplace dans les gaz (comme l'air), les liquides (comme l'eau) et les solides (comme le métal), souvent plus vite dans les solides que dans les liquides, et plus vite dans les liquides que dans les gaz. Dans le vide spatial, il n'y a pas de molécules pour transmettre les vibrations, donc le son ne peut pas s'y propager. C'est pourquoi dans l'espace, 'personne ne vous entend crier' - une bonne astuce pour mémoriser ce concept.

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante fondamentale de la physique, notée 'c', et vaut approximativement 300 000 kilomètres par seconde (plus précisément 299 792 458 m/s). Cette vitesse est si grande que la lumière du Soleil met seulement environ 8 minutes pour nous parvenir, alors que la distance Terre-Soleil est d'environ 150 millions de kilomètres. Pour mémoriser : retenez '300 mille kilomètres par seconde' - c'est la vitesse maximale dans l'univers selon la théorie de la relativité.

La réfraction est la déviation de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu transparent a un autre (comme de l'air a l'eau). Cette déviation est due au changement de vitesse de la lumière : elle ralentit dans l'eau par rapport a l'air. Les rayons lumineux provenant du bâton sous l'eau sont refractes en sortant de l'eau, ce qui donne l'impression que le bâton est casse a la surface. La loi de la réfraction (loi de Snell-Descartes) précise que n1 × sin(i1) = n2 × sin(i2), ou n est l'indice de réfraction du milieu.

La période T (en secondes) est le temps nécessaire pour accomplir un cycle complet d'un phénomène périodique. La fréquence f (en hertz) est le nombre de cycles par seconde. Elles sont inversement proportionnelles : T = 1/f ou f = 1/T. Par exemple, si un son a une fréquence de 50 Hz (50 cycles par seconde), sa période est de 1/50 = 0,02 seconde. Cette relation est fondamentale pour tous les phénomènes périodiques, qu'ils soient sonores (vibrations) ou lumineux (ondes électromagnétiques).

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent. Cette propagation rectiligne explique la formation d'ombres portées : lorsqu'un objet opaque est place devant une source lumineuse, il bloque les rayons lumineux qui se propagent en ligne droite, créant une zone d'ombre derrière lui. Si la source est ponctuelle, l'ombre a des contours nets ; si la source est étendue, on observe une ombre et une pénombre. Ce principe est utilise dans les cadrans solaires et explique les eclipses.

L'oreille humaine moyenne perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre 20 hertz (sons très graves) et 20 000 hertz (sons très aigus). En dessous de 20 Hz, on parle d'infrasons (perçus par certains animaux comme les éléphants). Au-dessus de 20 000 Hz, on parle d'ultrasons (utilises par les chauves-souris pour l'écholocalisation et en échographie médicale). Cette plage auditive diminue généralement avec l'age, en particulier pour les hautes fréquences. Un bon moyen de mémoriser : 'de 20 a 20 000' - deux extrêmes avec le chiffre 20.

Un prisme en verre ou en plastique transparent permet de décomposer la lumière blanche en ses différentes couleurs constitutives, c'est le phénomène de dispersion. Cela se produit parce que l'indice de réfraction du prisme varie légèrement avec la longueur d'onde (couleur) de la lumière : la lumière violette est plus déviée que la lumière rouge. On obtient ainsi le spectre continu de l'arc-en-ciel : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. Newton a realise les premières expériences systématiques avec un prisme au XVIIe siècle.

La relation fondamentale entre distance (d), vitesse (v) et temps (t) pour un mouvement uniforme est : d = v × t. Cette formule s'applique aussi bien aux signaux sonores qu'aux signaux lumineux. Par exemple, pour calculer la distance d'un orage : si on compte 3 secondes entre l'éclair et le tonnerre, et que la vitesse du son dans l'air est d'environ 340 m/s, alors la distance est d = 340 × 3 = 1020 mètres (environ 1 km). Pour la lumière, avec v = 300 000 km/s, les distances sont énormes : en 1 seconde, elle parcourt 300 000 km.

La résonance est un phénomène physique ou un système (ici l'antenne) entre en vibration maximale lorsqu'il est excite a sa fréquence propre. Une antenne radio est conçue pour avoir une longueur et une forme qui correspondent a la fréquence (ou a une gamme de fréquences) des ondes radio qu'elle doit capter. Quand une onde radio de la bonne fréquence arrive, elle fait vibrer les électrons dans l'antenne, créant un courant électrique faible qui est ensuite amplifie et decode. C'est le même principe qu'un diapason qui entre en vibration lorsqu'on chante la bonne note a cote de lui.