QCM : Ondes mécaniques et sons — 21 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle propriété distingue une onde mécanique d’une onde électromagnétique ?

Elle correspond à une répétition périodique de la source émettrice.
Elle transporte de la matière du point d’émission vers le point de réception.
Elle se propage dans le vide grâce à des oscillations électriques.
Elle se propage dans un milieu matériel sans transport global de matière.

Elle se propage dans un milieu matériel sans transport global de matière.

Explication

Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel sans déplacement global de matière. L’onde électromagnétique se distingue par sa capacité à se propager sans milieu matériel, tandis que le transport de matière n’est pas la caractéristique d’une onde mécanique.

2. Deux sources sonores émettent le même son dans des milieux différents à la même température. Quelle grandeur peut changer en raison du milieu de propagation ?

La nature mécanique de l’onde sonore.
La célérité de l’onde sonore.
La durée d’émission du signal sonore.
La fréquence imposée par la source.

La célérité de l’onde sonore.

Explication

La célérité du son dépend du milieu matériel et de la température. La fréquence est liée à la source émettrice et ne change pas simplement parce que le milieu de propagation est différent.

3. À 20 °C, dans quel milieu le son se propage-t-il avec une célérité d’environ 1500 m⋅s−11500\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} ?

Dans le béton.
Dans l’eau de mer.
Dans l’air.
Dans l’acier.

Dans l’eau de mer.

Explication

À 20 °C, la célérité du son est d’environ 1500 m⋅s−11500\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} dans l’eau de mer. Elle vaut environ 340 m⋅s−1340\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} dans l’air, 5000 m⋅s−15000\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} dans l’acier et 3000 m⋅s−13000\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} dans le béton.

4. Quand une perturbation se reproduit-elle de manière périodique ?

Lorsqu’elle augmente progressivement d’amplitude au cours du temps.
Lorsqu’elle se répète identiquement à intervalles de temps réguliers.
Lorsqu’elle produit une tension électrique proportionnelle à son intensité.
Lorsqu’elle se propage dans un milieu matériel à vitesse constante.

Lorsqu’elle se répète identiquement à intervalles de temps réguliers.

Explication

Une onde mécanique est périodique lorsque sa perturbation se reproduit identiquement à intervalles de temps réguliers. Une propagation à vitesse constante ou une conversion en tension électrique ne suffit pas à définir la périodicité.

5. Que représente la période temporelle TT d’une perturbation périodique ?

La plus courte durée au bout de laquelle la perturbation se répète à l’identique.
Le nombre de répétitions de la perturbation réalisées pendant une seconde.
La vitesse de propagation de la perturbation dans le milieu matériel.
L’intensité électrique obtenue après réception du signal sonore.

La plus courte durée au bout de laquelle la perturbation se répète à l’identique.

Explication

La période TT est une durée, exprimée en secondes, correspondant au plus court intervalle au bout duquel la perturbation se répète à l’identique. Le nombre de répétitions par seconde correspond à la fréquence, exprimée en hertz.

6. Une perturbation se répète 250 fois en une seconde. Quelle est sa fréquence ?

62500 Hz62500\ \mathrm{Hz}
250 Hz250\ \mathrm{Hz}
0,004 Hz0,004\ \mathrm{Hz}
4 Hz4\ \mathrm{Hz}

$$250\ \mathrm{Hz}$$

Explication

La fréquence correspond au nombre de répétitions par seconde : une répétition 250 fois par seconde donne donc f=250 Hzf=250\ \mathrm{Hz}. La valeur 0,004 Hz0,004\ \mathrm{Hz} correspondrait à une durée exprimée en secondes, pas à une fréquence.

7. Une onde a une période de 2,0 ms2,0\ \mathrm{ms}. Quelle est sa fréquence ?

2000 Hz2000\ \mathrm{Hz}
0,002 Hz0,002\ \mathrm{Hz}
500 Hz500\ \mathrm{Hz}
2,0 Hz2,0\ \mathrm{Hz}

$$500\ \mathrm{Hz}$$

Explication

La fréquence et la période sont inverses, donc f=1T=12,0×10−3=500 Hzf=\frac{1}{T}=\frac{1}{2,0\times10^{-3}}=500\ \mathrm{Hz}. La confusion fréquente consiste à prendre la période convertie en secondes pour une fréquence, alors qu’elle mesure une durée.

8. Comment un signal sonore reçu est-il généralement visualisé sur un oscilloscope ?

Le son est converti en signal électrique, puis la tension correspondante est affichée.
Le son est transformé en lumière, puis sa couleur est affichée sur l’écran.
La source sonore est remplacée par une onde électromagnétique observée directement.
L’oscilloscope affiche directement les vibrations mécaniques de l’air sans conversion.

Le son est converti en signal électrique, puis la tension correspondante est affichée.

Explication

Lors de la réception, le signal sonore est transformé en signal électrique dont la tension, proportionnelle à l’intensité du signal, est visualisée. L’oscilloscope n’affiche donc pas directement l’onde mécanique initiale, mais sa représentation électrique.

9. Quelle relation décrit correctement la hauteur et le timbre d’un son ?

La fréquence détermine la hauteur, tandis que le timbre distingue des sons de même hauteur.
La fréquence décrit le timbre, tandis que la hauteur dépend de la forme de l’oscilloscope.
La hauteur dépend de l’intensité, tandis que le timbre dépend de la célérité dans l’air.
Le timbre détermine la hauteur, tandis que la fréquence distingue des sons de même intensité.

La fréquence détermine la hauteur, tandis que le timbre distingue des sons de même hauteur.

Explication

La hauteur d’un son est définie par sa fréquence, alors que le timbre permet de distinguer des sons ayant la même hauteur mais perçus différemment. L’intensité et la célérité ne remplissent pas ces fonctions perceptives.

10. Quelle grandeur correspond à l’intensité sonore d’une onde ?

La puissance transportée par unité de surface
La fréquence de vibration de la source sonore
La puissance totale transportée par l’onde
L’amplitude maximale du signal enregistré

La puissance transportée par unité de surface

Explication

L’intensité sonore mesure la puissance transportée rapportée à la surface traversée. La puissance seule ne tient pas compte de cette surface et ne définit donc pas l’intensité.

11. Une source sonore transporte une puissance de 2,0 W2{,}0\ \mathrm{W} sur une surface de 4,0 m24{,}0\ \mathrm{m^2}. Quelle est l’intensité sonore ?

8,0 W.m−28{,}0\ \mathrm{W.m^{-2}}
2,0 W.m−22{,}0\ \mathrm{W.m^{-2}}
0,50 W.m−20{,}50\ \mathrm{W.m^{-2}}
6,0 W.m−26{,}0\ \mathrm{W.m^{-2}}

$$0{,}50\ \mathrm{W.m^{-2}}$$

Explication

La relation I=PSI=\frac{P}{S} donne ici I=2,04,0=0,50 W.m−2I=\frac{2{,}0}{4{,}0}=0{,}50\ \mathrm{W.m^{-2}}. Multiplier la puissance par la surface conduirait à une grandeur qui n’est pas une intensité sonore.

12. Quel changement indique qu’un son devient plus intense, sans modifier nécessairement sa hauteur ?

Une augmentation de l’amplitude du signal
Une augmentation de la fréquence du signal
Une diminution de la période du signal
Une diminution de la célérité de l’onde

Une augmentation de l’amplitude du signal

Explication

Un son plus intense possède une amplitude de signal plus importante. La fréquence caractérise la hauteur du son et non son intensité.

13. Quelle grandeur logarithmique, exprimée en décibels et mesurée avec un sonomètre, décrit le niveau sonore perçu ?

Le niveau d’intensité sonore
La célérité de propagation du son
La puissance acoustique de la source
La fréquence fondamentale du signal

Le niveau d’intensité sonore

Explication

Le niveau d’intensité sonore est une grandeur logarithmique exprimée en décibels et mesurée avec un sonomètre. La fréquence décrit plutôt la hauteur, tandis que la célérité concerne la propagation de l’onde.

14. Que signifie l’atténuation sonore d’une onde ?

Une augmentation de son intensité et de son niveau
Une augmentation de sa célérité et de sa longueur d’onde
Une diminution de sa fréquence et de sa période
Une diminution de son intensité et de son niveau

Une diminution de son intensité et de son niveau

Explication

L’atténuation sonore correspond à la baisse de l’intensité sonore et du niveau d’intensité sonore. L’augmentation de ces deux grandeurs décrit une amplification, et non une atténuation.

15. Quelle distinction décrit correctement les deux formes d’atténuation sonore ?

La forme géométrique dépend de la fréquence, l’absorption dépend de la puissance
La forme géométrique dépend d’un matériau, l’absorption dépend de la distance
La forme géométrique dépend de la source, l’absorption dépend de la durée
La forme géométrique dépend de la distance, l’absorption dépend d’un matériau

La forme géométrique dépend de la distance, l’absorption dépend d’un matériau

Explication

L’atténuation géométrique traduit la diminution du niveau avec la distance, tandis que l’atténuation par absorption caractérise l’efficacité d’un matériau contre la transmission du bruit. Les autres distinctions associent chaque mécanisme au mauvais facteur.

16. Dans quelle situation l’effet Doppler se manifeste-t-il ?

Lorsque l’amplitude de l’onde reste constante
Lorsque le milieu de propagation reste homogène
Lorsque la source produit une onde sinusoïdale
Lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie

Lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie

Explication

L’effet Doppler est un décalage entre la fréquence émise et la fréquence reçue lorsque la distance entre émetteur et récepteur varie. Une amplitude constante ou un milieu homogène ne suffit pas à produire ce décalage.

17. Une onde possède une fréquence reçue fR=450 Hzf_R=450\ \mathrm{Hz} et une fréquence émise fE=500 Hzf_E=500\ \mathrm{Hz}. Quel est le décalage Doppler ?

950 Hz950\ \mathrm{Hz}
0,90 Hz0{,}90\ \mathrm{Hz}
50 Hz50\ \mathrm{Hz}
−50 Hz-50\ \mathrm{Hz}

$$-50\ \mathrm{Hz}$$

Explication

Avec Δf=fR−fE\Delta f=f_R-f_E, on obtient Δf=450−500=−50 Hz\Delta f=450-500=-50\ \mathrm{Hz}. La soustraction inverse donnerait le signe opposé et ne correspond pas à la définition du décalage Doppler.

18. Lorsqu’un émetteur se rapproche du récepteur, quelle combinaison décrit les grandeurs reçues ?

λR>λE\lambda_R>\lambda_E, TR>TET_R>T_E, fR<fEf_R<f_E et Δf<0\Delta f<0
λR=λE\lambda_R=\lambda_E, TR=TET_R=T_E, fR=fEf_R=f_E et Δf=0\Delta f=0
λR<λE\lambda_R<\lambda_E, TR<TET_R<T_E, fR>fEf_R>f_E et Δf>0\Delta f>0
λR<λE\lambda_R<\lambda_E, TR>TET_R>T_E, fR<fEf_R<f_E et Δf<0\Delta f<0

$$\lambda_R<\lambda_E$$, $$T_R<T_E$$, $$f_R>f_E$$ et $$\Delta f>0$$

Explication

Le rapprochement comprime les périodes et les longueurs d’onde reçues, ce qui augmente la fréquence reçue et rend Δf\Delta f positif. La combinaison avec une fréquence reçue plus faible correspond à un éloignement.

19. Un émetteur sonore s’éloigne du récepteur tandis que la célérité de l’onde reste supérieure à sa vitesse. Quelle affirmation est correcte ?

La fréquence reçue reste égale et le décalage Doppler devient nul
La fréquence reçue diminue et le décalage Doppler devient négatif
La fréquence reçue augmente et le décalage Doppler devient positif
La fréquence reçue diminue et la longueur d’onde reçue devient plus courte

La fréquence reçue diminue et le décalage Doppler devient négatif

Explication

Lors d’un éloignement, la fréquence reçue devient inférieure à la fréquence émise, donc Δf=fR−fE<0\Delta f=f_R-f_E<0. La longueur d’onde reçue augmente alors, et non l’inverse.

20. Quel dispositif applique l’effet Doppler au contrôle de la vitesse des véhicules sur la route ?

Un télescope astronomique
Un microphone de studio
Une échographie Doppler médicale
Un cinémomètre routier

Un cinémomètre routier

Explication

Le cinémomètre routier exploite le décalage de fréquence pour mesurer la vitesse d’un véhicule. L’échographie Doppler appartient au domaine médical et sert à étudier les mouvements des fluides ou des tissus.

21. Un son de fréquence 440 Hz440\ \text{Hz} se propage dans l’air à la célérité 340 m⋅s−1340\ \text{m·s}^{-1} ; quelle est sa longueur d’onde approximative ?

149 600 m149\ 600\ \text{m}
780 m780\ \text{m}
0,77 m0{,}77\ \text{m}
1,29 m1{,}29\ \text{m}

$$0{,}77\ \text{m}$$

Explication

La longueur d’onde se calcule avec λ=vf\lambda = \frac{v}{f}, soit environ 340440=0,77 m\frac{340}{440} = 0{,}77\ \text{m}. La valeur 1,29 m1{,}29\ \text{m} correspondrait à une division inversée et ne représente pas le rapport célérité-fréquence attendu.

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Qu'est-ce qu'une onde mécanique ?

Une perturbation qui se propage dans un milieu matériel sans transport global de matière.

De quoi dépend la célérité du son ?

Du milieu matériel et de la température.

Quelle est la célérité du son dans l'air à 20 °C ?

340m.s−1340 m.s^{-1}.

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