Qu'est-ce que c'est ?
Comment le mesurer en classe
Avec FizziQ et un tube ouvert, les élèves peuvent déterminer la longueur d'onde d'un son en utilisant la résonance acoustique.
Étapes :
Ouvrir FizziQ et sélectionner l'émission de bruit blanc depuis la bibliothèque de sons. Préparer un tube (éprouvette, tube en carton) d'une longueur connue.
Placer le smartphone à une extrémité du tube et émettre le bruit blanc. Enregistrer le spectre sonore à l'autre extrémité avec un second smartphone ou le même appareil.
Observer le pic de résonance sur le spectre de fréquences. La fréquence de résonance fondamentale d'un tube ouvert correspond à une longueur d'onde égale à deux fois la longueur du tube.
Calculer la longueur d'onde : λ = 2L. Puis en déduire la vitesse du son : v = λ × f. Comparer avec la valeur théorique de 343 m/s à 20 °C.
Activités scientifiques sur ce thème
Plusieurs expériences facilement réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur permettent de mesurer et comprendre la longueur d'onde.
1 : Effet tube - Mesurer la vitesse du son par émission d'un bruit dans un tube : https://www.fizziq.org/team/effet-tube
2 : Helmholtz - Mesurer la vitesse du son par la fréquence de résonance d'un tube : https://www.fizziq.org/team/helmholtz
3 : Vitesse du son - Mesure de la vitesse du son avec un smartphone : https://www.fizziq.org/team/boum
4 : Bruit blanc - Quelles sont les fréquences qui composent un bruit blanc ? : https://www.fizziq.org/team/bruit-blanc
En savoir plus
Un peu d'histoire
La notion de longueur d'onde émerge au XVIIe siècle avec les travaux de Robert Hooke et Christiaan Huygens sur la nature ondulatoire de la lumière. Thomas Young, en 1801, réalise sa célèbre expérience des fentes qui démontre les interférences lumineuses et permet de mesurer pour la première fois la longueur d'onde de la lumière visible.
Le spectre électromagnétique
Les longueurs d'onde du spectre électromagnétique couvrent un domaine immense. Les ondes radio mesurent plusieurs kilomètres. La lumière visible se situe entre 380 et 780 nm. Les rayons X ont des longueurs d'onde de l'ordre du nanomètre, et les rayons gamma descendent en dessous du picomètre.
Longueur d'onde et diffraction
La diffraction se produit quand une onde rencontre un obstacle ou une ouverture dont la taille est comparable à sa longueur d'onde. C'est pour cette raison que le son contourne les obstacles (λ de l'ordre du mètre) alors que la lumière ne le fait pas à notre échelle (λ de l'ordre de 500 nm).
Expériences complémentaires
L'expérience Effet tube permet de mesurer la vitesse du son en utilisant les fréquences de résonance d'un tube, directement liées à la longueur d'onde.
Formule
λ = v × T = v / f
Signification :
λ : longueur d'onde (m)
v : vitesse de propagation de l'onde (m/s)
T : période (s)
f : fréquence (Hz)
Exemples d'application
- La couleur de la lumière visible est déterminée par sa longueur d'onde : environ 700 nm pour le rouge, 400 nm pour le violet
- Les ondes radio FM ont une longueur d'onde d'environ 3 mètres
- Un son grave de 100 Hz dans l'air a une longueur d'onde de 3,4 mètres
- Les micro-ondes du four ont une longueur d'onde de 12 cm, d'où les dimensions de l'appareil
- Les vagues de la mer ont des longueurs d'onde de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres
FAQ
Q : Comment calculer la longueur d'onde d'un son ?
R : On utilise la formule λ = v/f. Pour un son de 1 000 Hz dans l'air à 20 °C, la longueur d'onde est 343/1000 = 0,343 m, soit 34,3 cm.
Q : Quelle est la longueur d'onde des sons audibles ?
R : Les sons audibles (20 Hz à 20 000 Hz) ont des longueurs d'onde comprises entre 17 m (sons très graves) et 1,7 cm (sons très aigus) dans l'air.
Q : La longueur d'onde change-t-elle selon le milieu ?
R : Oui. La vitesse de propagation dépend du milieu. Le son va plus vite dans l'eau que dans l'air. À fréquence identique, la longueur d'onde dans l'eau est donc plus grande.
Q : Pourquoi les basses traversent-elles mieux les murs ?
R : Les sons graves ont une grande longueur d'onde. Quand celle-ci est grande devant l'obstacle, l'onde le contourne plus facilement par diffraction. C'est pourquoi on entend surtout les basses derrière un mur.
Q : Quelle différence entre longueur d'onde et amplitude ?
R : La longueur d'onde est une distance spatiale liée à la fréquence. L'amplitude est la hauteur maximale de l'oscillation, liée à l'intensité du signal. Ce sont deux grandeurs indépendantes.