Vitesse du son : deux chronomètres
Mesure de la vitesse du son avec un smartphone
Description détaillée
L'élève utilise deux smartphones équipés du chronomètre sonore de FizziQ pour déterminer le temps mis par le son pour parcourir une distance connue. En exploitant la différence de temps mesurée par les deux chronomètres, il calcule la vitesse du son dans l'air et compare son résultat aux premières mesures historiques réalisées par Mersenne en 1635. Cette activité permet d'obtenir des résultats précis à quelques pour cent, de 2 à 5 %, de la valeur théorique. FizziQ fournit ce chronomètre acoustique à déclenchement sonore directement dans l'application, avec un cahier d'expérience intégré pour consigner hypothèses, mesures et calculs.
Objectifs pédagogiques
- Programmer un chronomètre sonore avec les déclencheurs de FizziQ
- Comprendre le concept de synchronisation de deux instruments de mesure
- Calculer la vitesse du son à partir de mesures de temps et de distance
- Évaluer la précision d'une mesure et la comparer aux valeurs théoriques et historiques
- Identifier et minimiser les sources d'erreur expérimentale
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Chronomètre acoustique
Capteurs
- Microphone
Fonctionnalités FizziQ
- Déclencheurs — Programment le démarrage et l'arrêt automatique du chronomètre sonore au franchissement d'un seuil d'amplitude (les claquements de mains).
- Cahier d'expérience — Sert à noter l'hypothèse initiale, détailler les calculs de vitesse et joindre une photo du dispositif.
Matériel nécessaire
- Deux smartphones avec l'application FizziQ, utilisant le chronomètre acoustique à déclenchement sonore
- Un espace dégagé d'au moins 5 mètres (couloir, cour)
- Un mètre ruban pour mesurer la distance
- Cahier d'expérience FizziQ
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure du temps par déclenchement acoustique.
Protocole expérimental
Avant de commencer, fais une hypothèse : quelle est, selon toi, la vitesse du son dans l'air ? Combien de temps mettra-t-il pour parcourir 5 mètres ? Note tes réponses dans ton cahier d'expériences.
Réalise d'abord le TP sur le Chronomètre Sonore pour apprendre à programmer les déclencheurs.
Programme des chronomètres sonores sur les deux smartphones : chaque chronomètre démarre au premier claquement de mains et s'arrête au deuxième.
Place les deux smartphones côte à côte, puis claque dans tes mains pour les démarrer simultanément.
Déplace sans faire de bruit un des deux portables d'une distance d'au moins 5 mètres, 10 mètres si possible : plus la distance est grande, plus la mesure est précise. Place-toi à côté de ce portable.
Claque des mains pour arrêter les deux chronomètres.
Cette procédure te permet-elle de calculer la vitesse du son ? Réfléchis à la signification de la différence de temps mesurée.
En mesurant précisément la distance et la différence de durée entre les deux chronomètres, calcule la vitesse du son.
Refais plusieurs expériences pour calculer une moyenne et estimer l'incertitude.
Détaille tes calculs dans ton cahier d'expériences et ajoute une photo du dispositif.
Compare tes résultats à la valeur obtenue historiquement par Mersenne, environ 448 m/s, soit près de 30 % d'écart avec la valeur réelle. As-tu fait une meilleure mesure ?
Résultats attendus
La différence de temps entre les deux chronomètres est de l'ordre de 10-15 ms pour une distance de 4-5 mètres. La vitesse calculée v = d/Δt donne une valeur typiquement comprise entre 330 et 360 m/s. À 20°C, la valeur théorique est de 343 m/s. La précision atteint 2-5 % avec une bonne technique. Les principales sources d'erreur sont la mesure de la distance, le seuil de déclenchement des microphones, les réflexions sonores parasites et la précision de l'horloge des smartphones. Plusieurs mesures permettent de réduire l'incertitude par moyennage.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi la vitesse du son dépend-elle de la température de l'air ?
- Comment la méthode des deux chronomètres élimine-t-elle le problème de synchronisation ?
- L'humidité de l'air influence-t-elle la vitesse du son ?
- Pourquoi est-il important de ne pas faire de bruit en déplaçant le smartphone ?
- Comment pourrait-on mesurer la vitesse du son dans l'eau avec cette méthode ?
Explications scientifiques
La mesure de la vitesse du son a fasciné les scientifiques depuis des siècles. En 1635, Marin Mersenne en détermina une première valeur, environ 448 m/s, en mesurant le temps entre l'éclair d'un coup d'arme à feu et le son perçu. Curieusement, sa mesure du son réfléchi par écho, environ 315 m/s, était plus proche de la réalité, mais il pensait que le son direct et le son réfléchi ne se propageaient pas à la même vitesse. Cette expérience moderne reproduit le même principe avec une précision bien supérieure. Le chronomètre sonore de FizziQ se déclenche automatiquement lorsque l'amplitude sonore dépasse un certain seuil, éliminant les erreurs dues au temps de réaction humain. Les deux chronomètres démarrent simultanément au premier claquement mais s'arrêtent à des moments différents au second : le chronomètre proche de la source s'arrête immédiatement, celui situé à distance enregistre un temps plus long correspondant au délai de propagation du son. Ce délai Δt, rapporté à la distance d, donne directement la vitesse : v = d/Δt. Théoriquement, la vitesse du son dans l'air dépend principalement de la température selon v = 331,3 + 0,606×T (m/s), où T est en °C. À 20°C, v ≈ 343 m/s. La précision dépend de l'exactitude de la mesure de distance, de la sensibilité des microphones et de l'absence de réflexions parasites. À 5 mètres, la résolution du chronomètre (1 ms pour un délai d'environ 15 ms) limite chaque mesure isolée à environ 7 % d'incertitude ; en réalisant plusieurs mesures et en calculant la moyenne, on atteint 2 à 5 %. En portant la distance à 10 mètres ou plus, on peut viser 1 à 2 % — bien mieux que Mersenne et ses 30 % d'écart.
Pour aller plus loin : Sept expériences pour mesurer la vitesse du son dans l'air (blog FizziQ) propose un panorama historique et d'autres méthodes au smartphone | Vitesse du son (Wikipédia) retrace l'histoire des mesures, de Mersenne à l'Académie des sciences.
Extensions possibles
- Réaliser la mesure à différentes températures (intérieur, extérieur) et vérifier la formule v = 331,3 + 0,606×T
- Augmenter la distance de mesure pour améliorer la précision
- Utiliser un écho (mur) au lieu de deux smartphones
- Constater qualitativement que le son se propage aussi, et plus vite, dans les solides : pose l'oreille sur une longue table et fais tapoter à l'autre extrémité. Attention, une mesure chiffrée n'est pas réalisable ici : sur quelques mètres de bois, le retard est inférieur à la milliseconde, sous la résolution des chronomètres
Questions fréquentes
Comment programmer le chronomètre sonore dans FizziQ ?
Dans l'outil Déclencheurs, configure un chronomètre qui démarre quand l'intensité sonore dépasse un seuil (environ 65 dB) et s'arrête au deuxième dépassement de ce même seuil. Teste d'abord avec les deux smartphones côte à côte.
Pourquoi la différence de temps est-elle si petite ?
Le son se déplace à environ 343 m/s, soit 1 mètre en 3 millisecondes. Pour 5 mètres, la différence de temps n'est que de 15 ms environ. C'est pourquoi la précision des chronomètres de FizziQ (au millième de seconde) est essentielle.
Comment réduire les erreurs de mesure ?
Utilise la plus grande distance possible, réalise les mesures dans un environnement calme sans réflexions sonores (évite les couloirs étroits), et répète l'expérience au moins 5 fois pour calculer une moyenne fiable.
Cette activité fait partie de nos ressources sur le son. Pour approfondir la mesure et l'analyse du son (oscillogramme, spectre, spectrogramme, décibels) et retrouver les douze expériences, consultez notre guide complet pour mesurer et analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur.
Prêt à commencer ?
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