Vitesse du son
Mesure de la vitesse du son avec un smartphone
Nivel :
Lycée
Autor:
Aline Chaillou
Objectif pédagogique :
Cette activité permet aux élèves de mesurer la vitesse du son à l'aide de deux chronomètres acoustiques synchronisés. Elle reproduit une expérience scientifique historique avec des outils modernes.
Concepts abordés :
Propagation du son; Vitesse des ondes sonores; Chronométrage différentiel; Histoire des sciences; Métrologie
Description de l'activité :
L'élève utilise deux smartphones équipés du chronomètre sonore de FizziQ pour déterminer le temps mis par le son pour parcourir une distance connue. Après avoir programmé les deux appareils pour démarrer et s'arrêter aux mêmes signaux sonores l'élève les sépare d'une distance mesurée puis calcule la vitesse du son à partir de la différence entre les temps enregistrés divisée par la distance.
Matériel requis :
Deux smartphones avec l'application FizziQ; Un espace dégagé d'au moins 5 mètres; Un mètre ruban pour mesurer la distance; Cahier d'expérience FizziQ
Eclairage scientifique
La mesure de la vitesse du son a fasciné les scientifiques depuis des siècles. En 1635, Marin Mersenne fut le premier à en déterminer une valeur raisonnablement précise (environ 316 m/s) en mesurant le temps écoulé entre l'observation d'un éclair de canon et la perception du son associé. Cette expérience moderne reproduit ce principe mais avec une précision bien supérieure grâce à la technologie numérique. Le chronomètre sonore de FizziQ se déclenche automatiquement lorsque l'amplitude sonore dépasse un certain seuil, éliminant ainsi les erreurs dues au temps de réaction humain. Les deux chronomètres démarrent simultanément au premier claquement de mains, mais s'arrêtent à des moments légèrement différents lors du second claquement: le chronomètre proche de la source s'arrête immédiatement, tandis que celui situé à distance enregistre un temps plus long, correspondant précisément au délai de propagation du son. Ce délai Δt, rapporté à la distance d entre les deux appareils, permet de calculer directement la vitesse du son: v = d/Δt. Théoriquement, la vitesse du son dans l'air dépend principalement de la température selon la formule: v = 331,3 + 0,606×T (m/s), où T est la température en °C. À 20°C, cette vitesse est d'environ 343 m/s. La précision de cette expérience dépend de plusieurs facteurs: 1) L'exactitude de la mesure de distance; 2) La sensibilité des microphones et la cohérence de leurs seuils de déclenchement; 3) L'absence de réflexions sonores parasites; 4) Les conditions atmosphériques (température, humidité, pression). En réalisant plusieurs mesures et en calculant leur moyenne, on peut atteindre une précision de l'ordre de 1-2%, soit bien meilleure que celle obtenue par Mersenne. Cette expérience illustre non seulement un phénomène physique fondamental, mais aussi l'évolution des méthodes scientifiques: le principe reste le même depuis quatre siècles, mais la précision s'est considérablement améliorée grâce aux avancées technologiques.