Velocidad del sonido

Mesure de la velocidad del sonido avec un smartphone

En 1635, le père Marin Mersenne réalise la première mesure de la velocidad del sonido en observant le temps écoulé entre l'éclair et le bruit d'un coup de canon tiré à distance connue. Sa mesure, environ 316 m/s, était remarquablement proche de la valeur réelle malgré les moyens rudimentaires dont il disposait. Avec ton smartphone, peux-tu faire mieux que Mersenne ? Le défi est lancé. Le principe est similaire : mesurer le temps mis par le son pour parcourir une distance connue. Mais au lieu d'un canon et d'un œil humain, tu utiliseras le cronómetro acoustique de FizziQ, qui se déclenche automatiquement au son, éliminant les erreurs dues au temps de réaction. En synchronisant deux smartphones puis en les éloignant, tu pourras mesurer le délai de propagation du son avec une précision remarquable. Este experimento est aussi l'occasion de découvrir le concept fondamental de synchronisation des horloges, essentiel en physique moderne.

Descripción de la actividad:

L'élève programme des cronómetros sonores sur deux smartphones avec les déclencheurs de FizziQ. Après synchronisation par un premier claquement de mains, il éloigne un des smartphones puis arrête les deux cronómetros par un second claquement. La différence de temps mesurée, rapportée à la distance, permet de calculer la velocidad del sonido.

Aline Chaillou

Autor:

Duración:

30-40

Lo que harán los estudiantes:

'- Programmer un cronómetro sonore avec les déclencheurs de FizziQ
- Comprendre le concept de synchronisation de deux instruments de mesure
- Calculer la velocidad del sonido 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 fuentes de error expérimentale

Conceptos científicos:

'- Propagation du son dans l'air
- Vitesse des ondes sonores
- Chronométrage différentiel
- Synchronisation des horloges
- Influence de la température sur la velocidad del sonido

Sensores:

'- Micrófono (cronómetro acoustique via déclencheurs)
- Chronomètre de FizziQ

Material necesario:

'- Deux smartphones avec FizziQ
- Un espace dégagé d'au moins 5 mètres (couloir, cour)
- Un mètre ruban pour mesurer la distance
- Cuaderno de experiencias FizziQ

Procedimiento experimental:

Avec ton smartphone, ¿puedes faire une estimation de la velocidad del sonido más précise que Mersenne en 1635 ?
Réalise d'abord le TP sobre le Chronomètre Sonore para apprendre à programmer les déclencheurs.
Programme des chronomètres sonores sobre les deux smartphones : chaque chronomètre démarre au premier claquement de mains y s'arrête au deuxième.
Coloca les deux smartphones côte à côte, puis claque en tes mains para les démarrer simultanément.
Décoloca sans faire de bruit un des deux portables de una distance d'au moins 4 mètres. Place-toi à côté de ce portable.
Claque des mains para arrêter les deux chronomètres.
Cette procédure te permet-elle de calculer la velocidad del sonido ? Réfléchis à la signification de la différence de temps mesurée.
En mesurant précisément la distancia y la différence de durée entre les deux chronomètres, calcula la velocidad del sonido.
Refais plusieurs expériences para calculer une moyenne y estimer l'incertitude.
Détaille tes calculs en ton cuaderno de experienciass y ajoute une photo du dispositif.
Compara tus resultados à ceux obtenus historiquement par Mersenne. As-tu fait une meilleure mide ?

Resultados esperados:

La différence de temps entre les deux cronómetros 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 fuentes de error sont la mesure de la distance, le seuil de déclenchement des micrófonos, les réflexions sonores parasites et la précision de l'horloge des smartphones. Plusieurs mesures permettent de réduire l'incertitude par moyennage.

Preguntas científicas:

'- Pourquoi la velocidad del sonido dépend-elle de la température de l'air ?
- Comment la méthode des deux cronómetros élimine-t-elle le problème de synchronisation ?
- L'humidité de l'air influence-t-elle la velocidad del sonido ?
- Pourquoi est-il important de ne pas faire de bruit en déplaçant le smartphone ?
- Comment pourrait-on mesurer la velocidad del sonido dans l'eau avec cette méthode ?

Explicaciones científicas:

La mide de la velocidad del sonido a fasciné les scientifiques depuis des siècles. En 1635, Marin Mersenne en détermina une première valeur raisonnable (environ 316 m/s) en mesurant le temps entre l'éclair de un canon y el sonido perçu. Este experimento moderne reproduit le même principe con une précision bien supérieure.

Le chronomètre sonore de FizziQ se déclenche automatiquement cuando la amplitud 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 registra un temps más long correspondant au délai de propagation del sonido.

Ce délai Δt, rapporté à la distancia d, donne directement la velocidad : v = d/Δt. Théoriquement, la velocidad del sonido en l'air dépend principalement de la temperatura selon v = 331,3 + 0,606×T (m/s), où T es en °C. À 20°C, v ≈ 343 m/s.

La précision dépend de l'exactitude de la mide de distance, de la sensibilité des microphones y de l'absence de réflexions parasites. En réalisant plusieurs mesures y en calculant la moyenne, on atteint une précision de 1-2 %, bien meilleure que celle de Mersenne.

Actividades de ampliación:

'- 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
- Comparer la velocidad del sonido dans l'air et dans un solide (table en bois)

Preguntas frecuentes:

Q: ¿Cómo programmer le cronómetro sonore dans FizziQ ?
R: Dans l'outil Déclencheurs, configure un cronómetro 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.

Q: ¿Por qué la différence de temps est-elle si petite ?
R: 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 cronómetros de FizziQ (au millième de seconde) est essentielle.

Q: ¿Cómo réduire les erreurs de mesure ?
R: Utilisez la plus grande distance possible, réalisez les mesures dans un environnement calme sans réflexions sonores (évitez les couloirs étroits), et répétez l'expérience au moins 5 fois pour calculer une moyenne fiable.