QCM : Ondes sonores et phénomènes ondulatoires — 25 questions

Questions et réponses du QCM

1. Une source délivre une puissance sonore de P=2,0 WP = 2{,}0\ \mathrm{W} sur une surface réceptrice de S=4,0 m2S = 4{,}0\ \mathrm{m^2}. Quelle est l’intensité sonore reçue ?

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

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

Explication

L’intensité sonore est la puissance reçue par unité d’aire, donc I=P/S=2,0/4,0=0,50 W m−2I = P/S = 2{,}0/4{,}0 = 0{,}50\ \mathrm{W\,m^{-2}}. La puissance sonore ne correspond pas directement à l’intensité, car cette dernière dépend aussi de la surface de réception.

2. Quelle grandeur compare les intensités sonores sur une échelle logarithmique et s’exprime en décibels ?

La puissance sonore, exprimée en watts
Le niveau d’intensité sonore, exprimé en décibels
La surface de réception, exprimée en mètres carrés
L’intensité sonore, exprimée en watts par mètre carré

Le niveau d’intensité sonore, exprimé en décibels

Explication

Le niveau d’intensité sonore compare les intensités selon une échelle logarithmique et son unité est le décibel. L’intensité sonore, elle, s’exprime en W m−2\mathrm{W\,m^{-2}}.

3. Quelle est l’intensité sonore correspondant à un niveau de L=30 dBL = 30\ \mathrm{dB}, avec I0=10−12 W m−2I_0 = 10^{-12}\ \mathrm{W\,m^{-2}} ?

3,0×10−11 W m−23{,}0 \times 10^{-11}\ \mathrm{W\,m^{-2}}
3,0×10−9 W m−23{,}0 \times 10^{-9}\ \mathrm{W\,m^{-2}}
1,0×10−9 W m−21{,}0 \times 10^{-9}\ \mathrm{W\,m^{-2}}
1,0×10−15 W m−21{,}0 \times 10^{-15}\ \mathrm{W\,m^{-2}}

$$1{,}0 \times 10^{-9}\ \mathrm{W\,m^{-2}}$$

Explication

La relation L=10log⁡(I/I0)L = 10\log(I/I_0) donne ici I/I0=10L/10=103I/I_0 = 10^{L/10} = 10^3, donc I=10−12×103=10−9 W m−2I = 10^{-12} \times 10^3 = 10^{-9}\ \mathrm{W\,m^{-2}}. Une valeur de 30 dB30\ \mathrm{dB} ne conduit donc pas à multiplier directement I0I_0 par 30.

4. Deux sources produisent respectivement des intensités sonores I1I_1 et I2I_2 au même point. Quelle relation décrit correctement leur combinaison ?

L’intensité totale est la somme des deux intensités
Le niveau total est la somme des deux niveaux
L’intensité totale est la différence des deux intensités
Le niveau total est le produit des deux niveaux

L’intensité totale est la somme des deux intensités

Explication

Les intensités sonores s’additionnent selon It=I1+I2I_t = I_1 + I_2. Les niveaux sonores correspondants ne s’additionnent pas directement, car ils sont définis sur une échelle logarithmique.

5. Un son passe d’un niveau initial de 80 dB80\ \mathrm{dB} à un niveau final de 55 dB55\ \mathrm{dB}. Quelle est son atténuation ?

80 dB80\ \mathrm{dB}
55 dB55\ \mathrm{dB}
25 dB25\ \mathrm{dB}
135 dB135\ \mathrm{dB}

$$25\ \mathrm{dB}$$

Explication

L’atténuation est la différence entre le niveau initial et le niveau final, soit A=L1−L2=80−55=25 dBA = L_1 - L_2 = 80 - 55 = 25\ \mathrm{dB}. Le niveau final représente le son après atténuation, et non l’atténuation elle-même.

6. Quelle situation illustre une atténuation géométrique plutôt qu’une atténuation par absorption ?

Une mousse transforme une partie de l’énergie sonore en chaleur
Un auditeur s’éloigne d’une source dans un espace ouvert
Un mur épais absorbe une fraction de l’onde sonore
Un rideau absorbe une partie de la puissance sonore

Un auditeur s’éloigne d’une source dans un espace ouvert

Explication

L’atténuation géométrique provient de l’augmentation de la surface sur laquelle la puissance se répartit lorsque la distance à la source augmente. Les autres situations décrivent une absorption par un matériau.

7. Dans quelle situation la diffraction d’une onde est-elle particulièrement marquée à la traversée d’une ouverture ?

Lorsque l’ouverture est indépendante de la longueur d’onde
Lorsque l’ouverture est du même ordre que la longueur d’onde
Lorsque la longueur d’onde est négligeable devant l’ouverture
Lorsque l’ouverture est beaucoup plus grande que la longueur d’onde

Lorsque l’ouverture est du même ordre que la longueur d’onde

Explication

La diffraction devient notable lorsque la taille de l’ouverture est du même ordre de grandeur ou inférieure à la longueur d’onde, ce qui correspond approximativement à a≤10λa \leq 10\lambda. Une ouverture très grande devant la longueur d’onde provoque une déviation moins marquée.

8. Lorsqu’une onde est diffractée par une ouverture, quelle grandeur reste inchangée ?

La forme du front d’onde
La largeur de l’ouverture
La direction de propagation
La fréquence de l’onde

La fréquence de l’onde

Explication

La diffraction modifie la direction de propagation et la forme du front d’onde, mais elle ne modifie pas la fréquence de l’onde. La largeur de l’ouverture est une caractéristique du dispositif, pas une grandeur transformée par la diffraction.

9. Une onde de longueur d’onde λ=0,02 m\lambda = 0{,}02\ \mathrm{m} traverse une ouverture de largeur a=0,10 ma = 0{,}10\ \mathrm{m}. Quel est l’angle caractéristique de diffraction ?

20 rad20\ \mathrm{rad}
0,20 rad0{,}20\ \mathrm{rad}
5,0 rad5{,}0\ \mathrm{rad}
0,02 rad0{,}02\ \mathrm{rad}

$$0{,}20\ \mathrm{rad}$$

Explication

La relation θ=λ/a\theta = \lambda/a donne θ=0,02/0,10=0,20 rad\theta = 0{,}02/0{,}10 = 0{,}20\ \mathrm{rad}. À longueur d’onde fixée, une ouverture plus petite produirait un angle de diffraction plus grand.

10. Pour déterminer la largeur aa d’une fente rectangulaire par diffraction, quelles grandeurs faut-il mesurer avant d’appliquer la relation appropriée0?

La largeur dd de la tache centrale et la distance DD jusqu’à l’écran
L’angle θ\theta de diffraction et la longueur d’onde λ\lambda
La largeur aa de la fente et la distance DD jusqu’à l’écran
La longueur d’onde λ\lambda et la largeur dd de la fente

La largeur $$d$$ de la tache centrale et la distance $$D$$ jusqu’à l’écran

Explication

La largeur de la fente se déduit de la largeur mesurée de la tache centrale et de la distance entre la fente et l’écran, grâce à a=2λDda=\frac{2\lambda D}{d}. Confondre dd avec la largeur de la fente inverse le rôle de la grandeur mesurée et de la grandeur recherchée.

11. Lorsqu’un écran est très éloigné de la fente, quelle relation approchée décrit l’angle de diffraction0?

θ≃tan⁡θ=D2d=2λa\theta\simeq\tan\theta=\frac{D}{2d}=\frac{2\lambda}{a}
θ≃tan⁡θ=2Dd=aλ\theta\simeq\tan\theta=\frac{2D}{d}=\frac{a}{\lambda}
θ≃tan⁡θ=dD=λ2a\theta\simeq\tan\theta=\frac{d}{D}=\frac{\lambda}{2a}
θ≃tan⁡θ=d2D=λa\theta\simeq\tan\theta=\frac{d}{2D}=\frac{\lambda}{a}

$$\theta\simeq\tan\theta=\frac{d}{2D}=\frac{\lambda}{a}$$

Explication

Quand DD est très grand devant dd, l’angle est petit et vérifie θ≃tan⁡θ=d2D=λa\theta\simeq\tan\theta=\frac{d}{2D}=\frac{\lambda}{a}. La relation inverse proposée dans certaines réponses ne respecte pas la géométrie de la tache centrale.

12. Quelle expression décrit une onde progressive sinusoïdale d’amplitude AA, de fréquence ff et de célérité VV0?

s(x,t)=Acos⁡(2πf(t−xV)+φ)s(x,t)=A\cos\left(2\pi f\left(t-\frac{x}{V}\right)+\varphi\right)
s(x,t)=Acos⁡(2πf(t+xV)+φ)s(x,t)=A\cos\left(2\pi f\left(t+\frac{x}{V}\right)+\varphi\right)
s(x,t)=fcos⁡(2πA(t−xV)+φ)s(x,t)=f\cos\left(2\pi A\left(t-\frac{x}{V}\right)+\varphi\right)
s(x,t)=Asin⁡(2πV(t−xf)+φ)s(x,t)=A\sin\left(2\pi V\left(t-\frac{x}{f}\right)+\varphi\right)

$$s(x,t)=A\cos\left(2\pi f\left(t-\frac{x}{V}\right)+\varphi\right)$$

Explication

Une onde progressive sinusoïdale se décrit ici par une phase dépendant de t−xVt-\frac{x}{V}, avec une amplitude AA et une fréquence ff. Le signe opposé correspond à une propagation dans l’autre sens, tandis que les autres expressions échangent ou modifient les paramètres physiques.

13. Quelles conditions doivent remplir deux sources ponctuelles pour produire des interférences observables0?

Être synchrones, avoir la même fréquence et conserver un déphasage constant
Être proches, avoir des phases variables et émettre des signaux de durées différentes
Être indépendantes, avoir des fréquences différentes et changer de déphasage
Être synchrones, avoir des amplitudes égales et se déplacer à des vitesses différentes

Être synchrones, avoir la même fréquence et conserver un déphasage constant

Explication

Des interférences observables nécessitent deux sources synchrones, de même fréquence et présentant un déphasage constant. Des amplitudes égales ou une proximité géométrique ne remplacent pas ces conditions de cohérence.

14. Que se passe-t-il lorsque deux ondes arrivent en opposition de phase en un même point0?

Leurs amplitudes se compensent et l’interférence est destructive
Leurs amplitudes s’additionnent et l’interférence est constructive
Leur longueur d’onde diminue et l’interférence devient stationnaire
Leur fréquence augmente et l’interférence devient progressive

Leurs amplitudes se compensent et l’interférence est destructive

Explication

En opposition de phase, les deux ondes se compensent, ce qui produit une interférence destructive. L’addition des amplitudes caractérise au contraire une interférence constructive lorsque les ondes sont en phase.

15. Comment définit-on la différence de marche au point MM dans le dispositif des trous d’Young0?

Par δ=S2M−S1Mλ\delta=\frac{S_2M-S_1M}{\lambda}, écart de trajet exprimé en longueurs d’onde
Par δ=S2M−S1M\delta=S_2M-S_1M, différence entre les distances parcourues depuis les deux sources
Par δ=S1S2+S2M\delta=S_1S_2+S_2M, somme d’une distance entre sources et d’un trajet
Par δ=φ2−φ1\delta=\varphi_2-\varphi_1, différence entre les phases des deux ondes

Par $$\delta=S_2M-S_1M$$, différence entre les distances parcourues depuis les deux sources

Explication

La différence de marche compare les deux distances parcourues, selon δ=S2M−S1M\delta=S_2M-S_1M. La différence de phases est une autre grandeur, même si elle est liée à la différence de marche par la propagation des ondes.

16. Que représente la longueur d’onde λ\lambda dans un milieu donné0?

La distance séparant une source d’un écran placé devant elle
La durée nécessaire pour qu’une onde parcoure une distance donnée
La plus petite distance entre deux points qui vibrent en phase
Le nombre de vibrations effectuées par seconde en un point

La plus petite distance entre deux points qui vibrent en phase

Explication

La longueur d’onde est la plus petite distance séparant deux points du milieu qui vibrent de la même manière, donc en phase. Le nombre de vibrations par seconde correspond à la fréquence, qui est une grandeur différente.

17. Quelle condition correspond à une interférence constructive dans les trous d’Young0?

δ=λ2k+1\delta=\frac{\lambda}{2k+1} avec kk entier relatif
δ=kλ\delta=k\lambda avec kk entier relatif
δ=(2k+1)λ\delta=(2k+1)\lambda avec kk entier relatif
δ=(2k+1)λ2\delta=\frac{(2k+1)\lambda}{2} avec kk entier relatif

$$\delta=k\lambda$$ avec $$k$$ entier relatif

Explication

Les interférences sont constructives lorsque la différence de marche est un multiple entier de la longueur d’onde, soit δ=kλ\delta=k\lambda. La relation contenant un nombre impair de demi-longueurs d’onde décrit les interférences destructives.

18. Dans les trous d’Young, comment calcule-t-on l’interfrange entre deux franges brillantes consécutives0?

i=Dλbi=\frac{D}{\lambda b}
i=λDbi=\frac{\lambda D}{b}
i=bDλi=\frac{bD}{\lambda}
i=λbDi=\frac{\lambda b}{D}

$$i=\frac{\lambda D}{b}$$

Explication

L’interfrange, qui sépare deux franges brillantes ou deux franges sombres consécutives, vaut i=λDbi=\frac{\lambda D}{b}. Une augmentation de la distance écran-trous ou de la longueur d’onde agrandit donc l’interfrange, tandis qu’un écartement accru des trous le réduit.

19. Que désigne l’effet Doppler lorsqu’un émetteur et un récepteur sont en mouvement relatif ?

Une variation de l’amplitude émise par la source
Une variation de la fréquence perçue par le récepteur
Une modification de la fréquence produite par la source
Une diminution de la célérité de l’onde dans le milieu

Une variation de la fréquence perçue par le récepteur

Explication

L’effet Doppler correspond à une variation de la fréquence mesurée par le récepteur en raison du mouvement relatif. La source conserve la fréquence qu’elle produit, même si la fréquence perçue change.

20. Que se passe-t-il lorsque l’émetteur et le récepteur se rapprochent l’un de l’autre ?

La fréquence reçue reste égale à la fréquence émise
La fréquence reçue devient inférieure à la fréquence émise
La fréquence reçue devient supérieure à la fréquence émise
La fréquence reçue devient indépendante du mouvement relatif

La fréquence reçue devient supérieure à la fréquence émise

Explication

Lors d’un rapprochement, les fronts d’onde sont reçus plus rapidement, ce qui donne fr>fef_r > f_e. L’inégalité inverse correspond à une situation d’éloignement.

21. Quelle expression définit le décalage Doppler entre la fréquence reçue et la fréquence émise ?

Δf=fe−fr\Delta f = f_e - f_r
Δf=fr−fe\Delta f = f_r - f_e
Δf=fr+fe\Delta f = f_r + f_e
Δf=frfe\Delta f = \frac{f_r}{f_e}

$$\Delta f = f_r - f_e$$

Explication

Le décalage Doppler est défini comme la différence entre la fréquence reçue et la fréquence émise, soit Δf=fr−fe\Delta f = f_r - f_e. L’expression fe−frf_e - f_r inverse le signe de ce décalage.

22. Un émetteur se rapproche d’un récepteur fixe à la vitesse vv, avec vv très inférieure à la célérité cc. Quelle formule donne la fréquence reçue ?

fr,app=fe1+v/cf_{r,app}=\frac{f_e}{1+v/c}
fr,app=fe1−vcf_{r,app}=\frac{f_e}{1-vc}
fr,app=fe1−v/cf_{r,app}=\frac{f_e}{1-v/c}
fr,app=fe(1−v/c)f_{r,app}=f_e(1-v/c)

$$f_{r,app}=\frac{f_e}{1-v/c}$$

Explication

Pour une approche, le dénominateur est 1−v/c1-v/c, inférieur à 1, ce qui rend la fréquence reçue supérieure à fef_e. Le dénominateur 1+v/c1+v/c correspond au cas de l’éloignement.

23. Quelle relation donne la fréquence reçue lorsqu’un émetteur s’éloigne d’un récepteur fixe ?

fr,eˊloi=fe1+vcf_{r,éloi}=\frac{f_e}{1+vc}
fr,eˊloi=fe1+v/cf_{r,éloi}=\frac{f_e}{1+v/c}
fr,eˊloi=fe(1+v/c)f_{r,éloi}=f_e(1+v/c)
fr,eˊloi=fe1−v/cf_{r,éloi}=\frac{f_e}{1-v/c}

$$f_{r,éloi}=\frac{f_e}{1+v/c}$$

Explication

Lors d’un éloignement, la fréquence reçue s’écrit fr,eˊloi=fe1+v/cf_{r,éloi}=\frac{f_e}{1+v/c}, avec un dénominateur supérieur à 1. Cette structure entraîne une fréquence reçue inférieure à la fréquence émise.

24. Comment un radar détermine-t-il la vitesse d’un véhicule grâce à l’effet Doppler ?

En analysant la couleur visible du véhicule pendant son déplacement
En analysant le double décalage produit à l’aller puis au retour de l’onde
En mesurant la diminution d’amplitude de l’onde après son émission
En comparant la durée d’émission avec la célérité de l’onde

En analysant le double décalage produit à l’aller puis au retour de l’onde

Explication

L’onde subit un décalage Doppler en allant vers le véhicule, puis un second en revenant vers le radar, pour un décalage total égal à 2f0v/c2f_0v/c. La diminution d’amplitude ne fournit pas directement cette mesure de vitesse.

25. Quel déplacement des raies d’absorption indique qu’une étoile ou une galaxie s’éloigne ?

Une disparition des raies dans le spectre
Un élargissement des raies vers le violet
Un décalage des raies vers le rouge
Un décalage des raies vers le bleu

Un décalage des raies vers le rouge

Explication

L’éloignement d’un astre provoque un décalage de ses raies d’absorption vers le rouge. Le décalage vers le bleu signale au contraire un rapprochement.

Révisez avec les flashcards

Mémorisez les réponses avec 51 flashcards sur Ondes sonores et phénomènes ondulatoires.

Qu'est-ce que l'intensité sonore ?

La puissance sonore reçue par unité d'aire.

Quelle est l'intensité sonore d'un chuchotement ?

Environ 10⁻⁸ W·m⁻².

Quelle est l'intensité sonore d'un concert ?

Environ 10⁻¹ W·m⁻².

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Approfondir avec la fiche

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