Vitesse du son
Mesure de la vitesse du son avec un smartphone
En 1635, le père Marin Mersenne réalise la première mesure de la vitesse du son 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 chronomètre 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. Cette expérience est aussi l'occasion de découvrir le concept fondamental de synchronisation des horloges, essentiel en physique moderne.
Résumé :
L'élève programme des chronomètres 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 chronomètres par un second claquement. La différence de temps mesurée, rapportée à la distance, permet de calculer la vitesse du son.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
Aline Chaillou
30-40
Objectif pédagogique :
- 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 :
- Propagation du son dans l'air
- Vitesse des ondes sonores
- Chronométrage différentiel
- Synchronisation des horloges
- Influence de la température sur la vitesse du son
Capteurs :
- Microphone (chronomètre acoustique via déclencheurs)
- Chronomètre de FizziQ
Matériel :
- Deux smartphones avec FizziQ
- Un espace dégagé d'au moins 5 mètres (couloir, cour)
- Un mètre ruban pour mesurer la distance
- Cahier d'expérience FizziQ
Protocole expérimental :
Avec ton smartphone, peux-tu faire une estimation de la vitesse du son plus précise que Mersenne en 1635 ?
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 4 mètres. 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 ceux obtenus historiquement par Mersenne. 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 :
- 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 ?
Analyse scientifique
La mesure de la vitesse du son 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 d'un canon et le son perçu. 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. En réalisant plusieurs mesures et en calculant la moyenne, on atteint une précision de 1-2 %, bien meilleure que celle de Mersenne.
Variantes 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
- Comparer la vitesse du son dans l'air et dans un solide (table en bois)
FAQ
Q: Comment programmer le chronomètre sonore dans FizziQ ?
R: 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.
Q: Pourquoi 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 chronomètres de FizziQ (au millième de seconde) est essentielle.
Q: Comment 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.