Les signaux : lumière et son : fiche de révision

1Le cours condensé

La lumière est émise par des sources primaires (Soleil, lampe, flamme) et renvoyée par des objets diffusants (Lune, mur, feuille de papier), que l’on voit parce qu’ils renvoient la lumière vers l’œil. Dans un milieu homogène et transparent, elle se propage en ligne droite : c’est le modèle du rayon lumineux, qui explique les ombres et les éclipses. Sa vitesse dans le vide ou dans l’air est d’environ 300 000 km/s, soit 3 × 10⁸ m/s : rien ne va plus vite. La lumière du Soleil met environ 8 minutes pour nous atteindre. L’année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an, environ 9 500 milliards de kilomètres : regarder loin, c’est regarder dans le passé.

La lumière blanche est polychromatique : un prisme ou un réseau la décompose en un spectre continu, du rouge au violet. Une lumière d’une seule couleur est monochromatique (laser). L’œil ne perçoit que le domaine visible ; l’infrarouge et l’ultraviolet l’encadrent.

Le son est produit par la vibration d’un objet (corde, membrane, cordes vocales) ; il a besoin d’un milieu matériel pour se propager (air, eau, solide) et ne traverse pas le vide. Sa vitesse dans l’air est d’environ 340 m/s, bien plus faible que celle de la lumière : on voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre, et trois secondes d’écart correspondent à environ un kilomètre. Le son va plus vite dans l’eau (environ 1 500 m/s) et dans les solides.

Un son se caractérise par sa fréquence f, en hertz (Hz), nombre de vibrations par seconde : plus elle est élevée, plus le son est aigu. La période T, en secondes, est la durée d’une vibration : T = 1 / f. L’oreille humaine perçoit entre 20 Hz et 20 000 Hz ; au-dessous ce sont les infrasons, au-dessus les ultrasons, utilisés par les chauves-souris et les sonars. Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) : au-delà d’environ 85 dB une exposition prolongée abîme l’oreille, et le seuil de la douleur se situe vers 120 dB. L’écho est la réflexion du son sur un obstacle ; un sonar mesure une distance par la durée de l’aller-retour : d = v × t / 2.

2Formules et repères à connaître par cœur

Lumière : propagation rectiligne en milieu homogène et transparent ; c ≈ 300 000 km/s = 3 × 10⁸ m/s ; Soleil → Terre environ 8 min ; année-lumière ≈ 9 500 milliards de km. Lumière blanche = polychromatique (spectre) ; laser = monochromatique. Son : vibration, milieu matériel obligatoire, environ 340 m/s dans l’air, plus rapide dans l’eau et les solides. f en hertz (Hz), T = 1 / f en secondes ; aigu = fréquence élevée, grave = fréquence basse. Audible : 20 Hz à 20 000 Hz ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus. Niveau sonore en décibels (dB) : danger au-delà d’environ 85 dB en exposition prolongée. Écho et sonar : d = v × t / 2. Distance = vitesse × durée pour tout signal.

3Ce qui tombe au brevet et les pièges

L’épreuve de sciences du brevet 2027 dure 1 heure, sur deux disciplines sur trois annoncées deux mois avant ; chaque discipline est notée sur 10 points, dont 1 point de maîtrise de la langue, sur une seule copie (note de service MENE2623228N). Les signaux fournissent des sujets de calcul distance-durée et des questions de santé (casque audio, concerts).

Exercices types : calculer une distance Terre-Lune ou Terre-Soleil à partir de la durée de trajet de la lumière, ou l’inverse ; convertir des années-lumière et expliquer pourquoi on voit le passé des étoiles ; calculer une profondeur avec un sonar (ne pas oublier de diviser par 2) ; estimer la distance d’un orage ; lire un oscillogramme pour mesurer une période et en déduire la fréquence, puis comparer deux sons (plus aigu, plus fort) ; exploiter une échelle de décibels pour argumenter sur la protection de l’audition ; justifier qu’un son ne se propage pas dans le vide.

Pièges : confondre vitesse de la lumière et du son, ou km/s et m/s ; oublier l’aller-retour dans le calcul du sonar ; croire que l’année-lumière est une durée ; associer « fort » à la fréquence (le niveau sonore et la hauteur sont deux choses différentes) ; lire une période sur plusieurs motifs sans diviser ; écrire que le son se propage dans le vide « plus lentement » (il ne s’y propage pas du tout).

4Comment s’entraîner

Fais cinq calculs d = v × t avec la lumière (secondes, minutes, années) et cinq avec le son (orage, écho, sonar), en écrivant à chaque fois la formule, la conversion et l’unité. Mesure la période sur trois oscillogrammes de ton manuel et calcule la fréquence. Rédige en deux phrases pourquoi un casque trop fort est dangereux, avec un seuil en décibels. Un QCM généré depuis ta fiche vérifie les ordres de grandeur, qui font l’essentiel des points de ce chapitre.