Qu'est-ce que c'est ?
Atividades científicas sobre este tema
Avec FizziQ et deux smartphones, les élèves peuvent mesurer la célérité du son dans l'air en utilisant un chronomètre sonore.
Étapes :
Placer deux smartphones à une distance connue (par exemple 10 mètres). Ouvrir FizziQ sur les deux appareils et configurer le déclencheur sonore pour enregistrer le son.
Produire un son bref (claquement de mains) près du premier smartphone. Les deux appareils enregistrent le son.
Mesurer le décalage temporel entre les deux enregistrements. Ce décalage correspond au temps mis par le son pour parcourir la distance séparant les deux smartphones.
Calculer la célérité : v = d/Δt. Comparer la valeur obtenue avec la valeur théorique de 343 m/s à 20 °C. Discuter des sources d'incertitude.
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Plusieurs expériences facilement réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur permettent de mesurer la célérité du son.
1 : Vitesse du son - Mesure de la vitesse du son avec un smartphone : https://www.fizziq.org/team/boum
2 : Helmholtz - Mesurer la vitesse du son par la fréquence de résonance d'un tube : https://www.fizziq.org/team/helmholtz
3 : Effet tube - Mesurer la vitesse du son par émission d'un bruit dans un tube : https://www.fizziq.org/team/effet-tube
4 : Le son d'une bouteille - Mesurer la vitesse du son en débouchant une bouteille de vin : https://www.fizziq.org/team/pop
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Un peu d'histoire
Les premières mesures de la vitesse du son remontent au XVIIe siècle. En 1636, Marin Mersenne estime la célérité du son à environ 450 m/s en mesurant le temps entre l'éclair d'un canon et le bruit. Des mesures plus précises sont obtenues au XIXe siècle grâce aux expériences de Victor Regnault dans les égouts de Paris.
Célérité dans différents milieux
Le son se propage à 343 m/s dans l'air à 20 °C, à 1 480 m/s dans l'eau douce, à 5 120 m/s dans l'acier et à environ 6 000 m/s dans le diamant. En revanche, le son ne se propage pas dans le vide car il a besoin d'un milieu matériel.
Le mur du son
Quand un avion dépasse la célérité du son (Mach 1), il crée une onde de choc qui produit le bang supersonique. Chuck Yeager a franchi le mur du son pour la première fois en 1947 à bord du Bell X-1.
Expériences complémentaires
L'expérience Vitesse du son permet de mesurer la célérité du son avec deux smartphones et d'obtenir un résultat précis à 5 % près.
Formule
v = λ × f = λ / T
Signification :
v : célérité de l'onde (m/s)
λ : longueur d'onde (m)
f : fréquence (Hz)
T : période (s)
Pour le son dans l'air : v ≈ 331 + 0,6 × θ (m/s), avec θ la température en °C.
Exemples d'application
- L'éclair et le tonnerre : en comptant 3 secondes entre l'éclair et le tonnerre, on déduit que l'orage est à environ 1 km
- Le sonar des sous-marins utilise la célérité du son dans l'eau (1 500 m/s) pour mesurer la profondeur
- L'échographie médicale exploite la vitesse du son dans les tissus pour construire des images du corps
- Le mur du son correspond au moment où un avion atteint la célérité du son dans l'air
- Les musiciens dans un grand orchestre peuvent percevoir un léger décalage dû au temps de propagation du son
FAQ
Q : Quelle est la vitesse du son dans l'air ?
R : Le son se propage à environ 343 m/s dans l'air à 20 °C. Cette vitesse augmente d'environ 0,6 m/s par degré Celsius supplémentaire.
Q : Pourquoi le son va-t-il plus vite dans l'eau ?
R : Dans l'eau, les molécules sont plus proches les unes des autres. La perturbation se transmet donc plus rapidement d'une molécule à l'autre. Le son atteint environ 1 500 m/s dans l'eau.
Q : La célérité dépend-elle de la fréquence ?
R : Pour le son dans l'air, non. Tous les sons se propagent à la même vitesse quelle que soit leur fréquence. C'est pour cela qu'un orchestre sonne juste de loin.
Q : Quelle différence entre célérité et vitesse ?
R : En physique des ondes, la célérité désigne spécifiquement la vitesse de propagation de l'onde. On la distingue de la vitesse des particules du milieu qui, elles, oscillent sur place.
Q : Comment la température affecte-t-elle la célérité du son ?
R : Plus l'air est chaud, plus les molécules sont agitées et transmettent la perturbation rapidement. La célérité augmente d'environ 0,6 m/s par degré Celsius.