Exercices

Exercice 1 : Je sais

1

Les ondes hertziennes sont :

composées d’ultrasons.

×

appelées aussi ondes radio.

×

des ondes électromagnétiques.

de la famille des ondes sonores.

Exercice 2 : Je sais

1

Si la fréquence d’un son audible par un être humain augmente :

×

alors le son devient de plus en plus aigu, au point de devenir un ultrason.

×

alors le son risque de ne plus être audible à partir d’une certaine fréquence.

alors le son devient de plus en plus grave, au point de devenir un ultrason.

alors le son devient de plus en plus grave, au point de devenir un infrason.

Exercice 3 : Je sais

1

La vitesse des ultrasons dans le vide :

est égale à 340 m/s.

n’existe pas car ces signaux ne se propagent pas dans le vide.

est égale à 340 km/s.

Exercice 4 : Je sais

Parmi les types de signaux suivants, trouve l’intrus et justifie ta réponse.

1

Onde hertzienne - lumière visible - infrarouge - ultrason - ultraviolet - onde radio.

Exercice 5 : Je sais

1

Relie les différents signaux à leur vitesse dans l’air.

Exercice 6 : Je sais

1

Les infrasons et les ultrasons ne sont audibles pour aucun être vivant.

Vrai.

Faux.

Exercice 7 : Je sais

1

La vitesse des ondes radio dans le vide :

n’existe pas car ces signaux ne se propagent pas dans le vide.

est égale à 300 000 m/s.

×

est égale à 300 000 000 m/s.

×

est égale à 300 000 km/s.

Exercice 8 : Je sais faire

1

Un smartphone comporte généralement :

×

un récepteur d’ondes radio.

×

un émetteur de signaux sonores.

×

un émetteur de lumière visible.

×

un récepteur de lumière visible.

×

un émetteur d’ondes radio.

×

un récepteur de signaux sonores.

Exercice 9 : Je sais faire

1

Pour calculer la durée de propagation d’un ultrason sous l’eau :

×

on a besoin de trouver dans l’énoncé la vitesse du son dans l’eau.

×

on a besoin de trouver dans l’énoncé la distance parcourue par le son.

on a besoin de trouver dans l’énoncé la fréquence du son.

on a besoin de trouver dans l’énoncé la vitesse du son dans l’air.

Exercice 10 : New Horizons.

En juillet 2015, la sonde New Horizons s’est approchée de Pluton, située alors à 4,86 milliards de kilomètres de la Terre. La sonde est équipée, entre autres : d’une caméra infrarouge pour étudier la composition du sol plutonien ; d'un appareil permettant d’analyser les ultraviolets émis par la planète naine. Son antenne radio parabolique a permis d’envoyer vers la Terre la photographie ci-dessous de Pluton et de recevoir des instructions.

1

Liste les récepteurs de signaux électromagnétiques utilisés par la sonde. Précise pour chacun le type de signal reçu.

2

Explique rapidement pourquoi la sonde ne comporte pas de capteurs sonores ou ultrasonores.

3

Calcule la durée de propagation en heures et en minutes d’un signal radio entre la sonde et la Terre.

Doc. 1

Pluton.

Doc. 2

Sonde New Horizons.

• Une seconde lecture très attentive de l’énoncé est nécessaire, en notant chaque récepteur et le signal correspondant rencontrés à l’écrit ou en image.
• Attention, toujours prendre en compte les conditions de propagation du signal envisagé.
• Pour effectuer un calcul lié à la vitesse, il faut repérer les données de l’énoncé: si la distance et la vitesse sont indiquées, alors il s’agit de trouver la durée.

• Parmi les signaux évoqués dans le document, on repère les infrarouges et les ultraviolets. La sonde comporte une caméra pour la lumière et l’antenne suggère la réception d’ondes radio. Ainsi, les récepteurs sont :
  ▪ la caméra infrarouge ;
  ▪ le capteur ultraviolet ;
  ▪ la caméra visible ;
  ▪ l’antenne parabolique, recevant des instructions par ondes radio.
• La sonde est dans l’espace. Il n’y a pas d'atmosphère, donc pas de son.
• On connait la distance d entre la Terre et la sonde: environ 4,86 milliards de kilomètres, soit d = 4 860 000 000 km. La vitesse des ondes radio est 300 000 km/s.
  La formule à utiliser est $t = \dfrac{d}{v}$ avec d en km et v en km/s. La durée sera donc en s.
  On a $\dfrac{4 \: 860 \: 000 \: 000}{300 \: 000} = 16 \: 200 \: \text{s}.$
  Or 1 h = 3 600 s. Donc 16 200 s représentent $\dfrac{16 \: 200}{3 \:600}$h soit 4,5 h.
  La durée de propagaton du signal radio est donc de 4 h 30 min.

Exercice 11 : Spirit.

Le robot Spirit a parcouru le sol et l'atmosphère de Mars de 2004 à 2010. Parmi les appareils qui le composaient, il y avait une caméra infrarouge, un analyseur de rayons gamma et un détecteur de rayons X pour analyser le sol martien. Les informations étaient envoyées vers la Terre, à cent millions de kilomètres.

1

Donne les différents récepteurs de signaux électromagnétiques qu'utilise le robot. Précise pour chacun le type de signal reçu.

2

Aurait-il pu enregistrer des sons pendant son voyage ? Explique ta réponse.

3

Calcule la durée de propagation d’un signal radio entre Mars et la Terre.

Exercice 12 : Un exposé sur le dauphin.

Éric a recherché certaines informations sur les dauphins et leurs communications sonores. Voici ses notes :

1

Retrouve les erreurs qu’a commises Éric et corrige-les.

Les dauphins sont des mammifères vivants dans l’eau. Ils ont la capacité d’émettre et d'entendre des sons qui ne sont pas audibles pour les humains. Par exemple, un son de fréquence 0,12 × 104 dB n’est pas audible pour nous. Ce son se propage à la vitesse de 340 m/s dans l’eau.

Exercice 13 : Entendre des infrasons et des ultrasons.

Le tableau suivant présente les domaines des sons audibles pour différentes espèces animales en fonction de la fréquence.

1

À partir de ce document, cite deux espèces capables d’entendre des infrasons.

2

Combien d’espèces du document sont capables d’entendre des ultrasons ?

Doc. 2

Tableau des domaines des sons audibles pour différentes espèces animales.

Exercice 14 : To bee or not to bee.

Le diagramme suivant présente les gammes de fréquence des signaux lumineux visibles pour les hommes et ceux perçus par les abeilles. Pour les abeilles, il s’agit d’une hypothèse.

1

Les abeilles sont-elles capables de percevoir les infrarouges selon cette hypothèse ? Explique ta réponse.

Doc. 3

Gammes de fréquence des signaux lumineux visibles pour les hommes et ceux perçus par les abeilles.

Exercice 15 : Les risques d’exposition à un son trop fort.

On considère que l’ouïe est en danger à partir d’un niveau de 80 dB durant une journée de travail de 8 heures. Si le niveau est extrêmement élevé (supérieur à 130 dB), toute exposition, même de très courte durée, est dangereuse.

1

L’image ci-dessous te montre la mesure du volume sonore en bordure d’une route fréquentée. Quelle conclusion peux-tu tirer de cette image ?

2

Explore le site http://www.ecoute-ton-oreille.com/index.html et donne trois conseils afin de protéger les oreilles d’un vendeur de fruits qui travaillerait au bord de cette route.

Doc. 4

Mesure du volume sonore.

Exercice 16 : Notation scientifique.

On a mesuré différentes fréquences de signaux électromagnétiques.

1

Quels signaux ont leur fréquence écrite en notation scientifique ?

2

Écris en notation scientifique la fréquence des autres signaux.

3

Classe les signaux par fréquence décroissante.

Exercice 17 : Une supernova filmée… en différé. ◉◉◉

En 2016, l’explosion d’une étoile, encore appelée supernova, a pu être reconstituée à partir des données enregistrées par le télescope spatial Kepler en orbite autour de la Terre. L’explosion de cette étoile, 300 fois plus grosse que le Soleil, aurait duré 1 h. Ne pense pas que cette supernova a été filmée en direct: elle a eu lieu il y a 1,2 million d’années.

1

Est-il possible que le son de l’explosion se propage dans le vide de l’espace ?

2

Indique alors si l’enregistrement de cette explosion peut comporter du son.

3

Rappelle la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide en km/s.

4

Combien de temps la lumière a-t-elle mis pour parcourir la distance entre cette étoile et le télescope spatial ?

5

Exprime cette durée en secondes.

6

Donne la relation entre la distance parcourue par la lumière en km et la durée de propagation en s.

7

Calcule alors la distance parcourue par la lumière depuis cette supernova jusqu'à Kepler.

Doc. 1

Supernova.

Exercice 17 : Une fausse supernova. ◉◉◉

Le 14 juin 2015, une source lumineuse d’intensité importante a été détectée. Cet évènement baptisé ASASSN-15lh fut pour un temps assimilé à une supernova (l’explosion d’une étoile). En décembre 2016, après plusieurs mois d’étude de la luminosité de ASASSN-15lh, les chercheurs ont conclu que cet évènement n’était pas une supernova mais une étoile en cours de dislocation lors de sa capture par un trou noir. L’image ci-dessus est une vue d’artiste représentant l’évènement qui a probablement eu lieu. D’après les mesures effectuées, la dislocation de l’étoile a eu lieu il y a 3,8 milliards d’années.

1

Pour quelles raisons l’enregistrement comporte-t-il uniquement de la lumière et pas de son ?

2

Quelle est la valeur de la vitesse de la lumière ?

3

Rappelle la relation entre la distance d parcourue par la lumière émise et la durée de son parcours. Précise les unités utilisées.

4

Calcule alors en km la distance parcourue par la lumière d’ASASSN-15lh pour parvenir jusqu’à la Terre.

Doc. 2

Fausse supernova.

Exercice 17 : Un instrument pour observer la formation de systèmes solaires. ◉◉◉

SPHERE est un instrument d’observation et de recherche des exoplanètes installé sur le télescope de l’observatoire de Paranal de l’ESO (Observatoire européen austral) au Chili. Cet instrument a permis d’avoir des images de disques protoplanétaires (à partir desquels les planètes vont se former autour d’étoiles). L’image ci-contre est celle du disque protoplanétaire entourant l’étoile HDB135344B. D’après les mesures effectuées, cette image, capturée en 2016, date d’il y a 450 ans.

1

SPHERE peut-il enregistrer des sons provenant de ces disques protoplanétaires ? Justifie ta réponse.

2

Calcule la distance en km entre ce disque protoplanétaire et le système solaire.

Doc. 3

Formation d'un système.

Exercice 18 : Les sondes Voyager 1 et 2.

Les sondes Voyager 1 et 2 ont été lancées en 1997. Elles sont en train d’atteindre les limites de notre système solaire. Les signaux radio envoyés par la sonde Voyager 1 mettent 15 h pour parvenir à la Terre. La sonde Voyager 2 est située à 13,5 milliards de kilomètres de nous.

1

Calcule la distance en km qui nous sépare de la sonde Voyager 1.

2

Calcule la durée en h mise par un signal radio de Voyager 2 pour atteindre la Terre.

3

La sonde Voyager 2 continue sa route selon un mouvement rectiligne uniforme, à la vitesse de 15,5 km/s. Elle croisera la route de l’étoile Ross 248 de la constellation d’Andromède dans 40 000 ans. Calcule la distance entre la Terre et l’étoile Ross 248 en km.

4

Exprime le résultat en années-lumière.

Doc. 1

Les sondes Voyager 1 et 2.

Exercice 19 : Une hypothèse à tester.

Après avoir pris l’ascenseur, Marc reçoit une notification de message et constate qu’il a raté un appel, sans comprendre pourquoi. Chez lui, sa sœur explique : « C’est normal que tu aies raté cet appel puisque l’ascenseur est entièrement fait de parois métalliques ».

1

Quelle hypothèse sur la propagation des ondes radio semble faire la sœur de Marc ?

2

Quelle expérience permettrait de tester cette hypothèse chez toi, avec comme téléphones un portable et un autre fixe et du matériel provenant par exemple de la cuisine ?

3

Réalise cette expérience avec l’accord de l’un de tes parents. Quelle conclusion peux-tu faire ?

Exercice 20 : Fibre optique : endoscopie.

Lors d’une endoscopie, on insère deux tubes de fibre optique dans l’abdomen du patient pour observer les organes : le premier transmet de la lumière visible entre une source lumineuse et l’intérieur de l’abdomen. Le second capte la lumière à l’intérieur de l’abdomen et la transmet à une caméra. Celle-ci diffuse alors une image des organes, image nécessaire au diagnostic du médecin.

1

Pourquoi faut-il une fibre optique qui apporte de la lumière visible dans l’abdomen ?

2

Décris le trajet de la lumière depuis la source lumineuse jusqu’au récepteur.

Exercice 21 : Infrarouges et énergie thermique perdue par les bâtiments.

Inspirés de la vision infrarouge des serpents, les thermographes sont des appareils qui permettent de repérer les infrarouges émis. L’appareil indique en rouge les zones où l’émission d’infrarouges est forte, et en bleu les zones de moindre émission. La thermographie est utilisée dans l’analyse de l’isolation thermique des maisons. L’image 1 présente deux bâtiments différemment isolés.

1

Lors de la constitution des thermographies de l’image 1, précise quel était le récepteur et l’émetteur d’infrarouges.

2

Quel bâtiment te semble le mieux isolé thermiquement ? Justifie ta réponse.

3

Par quel endroit l’énergie thermique s’échappe-t-elle du bâtiment le mieux isolé thermiquement ?

4

Justifie à l’aide de l’image 2 qu’il est important de connaitre l’heure à laquelle la thermographie a été réalisée et d’avoir également une image en lumière visible du bâtiment.

Doc. 2

Thermographe 1.

Doc. 3

Thermographe 2.

Exercice 22 : Infrarouges et serpents.

Tous les serpents détectent les infrarouges. Pas avec leurs yeux cependant, puisque même masqués les serpents parviennent à détecter leur proie. Leurs détecteurs d’infrarouges se logent dans de petites fossettes situées entre les narines et les yeux. Les animaux à « sang chaud » transfèrent une partie de leur énergie thermique à l’environnement en rayonnant à une fréquence de 33 000 GHz, la fréquence d’infrarouge que les fossettes des serpents détectent le mieux.

1

Quelles sont les deux indications de l’énoncé qui permettent d’affirmer que les yeux des serpents ne sont pas les récepteurs infrarouges ?

2

Un serpent attrape une souris durant la nuit. Dans cette situation, précise l’émetteur et le récepteur d’infrarouges.

3

Quelle information apporte aux serpents cette vision infrarouge ?

4

Donner en notation scientifique la fréquence des infrarouges émis par les mammifères.

Exercice 23 : Fibre optique II : connexion internet.

Les fibres optiques sont des filaments cylindriques en silice d’environ 150 μm de diamètre qui acheminent des signaux lumineux. Elles sont très utilisées dans les domaines des télécommunications. Ainsi, 12 315 km de fibres optiques ont été déposés au fond de l’océan Atlantique entre les États-Unis et la France en 2002, pour augmenter le débit de la liaison internet entre ces deux pays. Ce débit est désormais de 80 Go/s. Note : 1 μm = 0,000 001 m. Vitesse de la lumière dans la silice : 200 000 km/s.

1

Donne en notation scientifique la valeur en m du diamètre d’une fibre optique.

2

La lumière se propage-t-elle plus rapidement dans une fibre optique que dans l’air ? Justifie ta réponse.

3

En combien de temps un film de deux heures (4,7 Go) est-il transmis entre la France et les États-Unis par le câble sous-marin décrit dans l’énoncé ?

4

Calcule la durée de propagation en s d’un signal lumineux entre la France et les États-Unis.

Exercice 24 : La répartition des notes de musique.

Le tableau ci-contre présente les fréquences des notes de musique que les cordes d’une guitare jouent à vide. Deux octaves sont balayées : du mi de l’octave 2 au mi de l’octave 4. Une octave est l’intervalle séparant deux sons ayant des fréquences doubles l’une de l’autre.

1

Quelle est la note la plus aiguë qui peut être jouée en corde libre ? Donne la valeur de sa fréquence en Hz à l’aide de la notation scientifique.

2

Le sol joué par la corde 3 appartient-il à la première ou à la deuxième octave de la guitare ?

3

Indique les domaines de fréquence de chaque octave des cordes de la guitare.

Je résous un problème

1

La sonde New Horizons a été lancée le 19 janvier 2006. Elle a frôlé la planète Jupiter début 2007, mais sa trajectoire peut être considérée comme rectiligne. La sonde a transmis des images de la planète naine Pluton le 14 juillet 2015 à l’aide d’ondes radio qui ont mis 5 h pour atteindre la Terre, malgré leur vitesse de 300 000 km/s.

Après avoir trouvé à quelle distance de la Terre se situe la sonde, calcule la vitesse moyenne de New Horizons en km/s.

Doc. 1

Trajectoire de la sonde par rapport au soleil.

Entre le décollage de la sonde et son survol de Pluton, il s’est écoulé 3 462 jours.

Exercice 25 : Les puces RFID.

Les puces RFID ou radioétiquettes sont de petits objets collés, incorporés dans certains objets ou implantés sous la peau des organismes vivants tel que des animaux de compagnie. La puce reçoit par son antenne un signal radio à une certaine fréquence qui agit sur la puce électronique. Celle-ci répond en émettant un signal à la même fréquence qui transmet certaines informations. Ces puces se répandent dans notre société : passeport, carte de paiement sans contact, antivol pour article en vente, code-barre amélioré, etc.

1

Une puce RFID est-elle un émetteur ou un récepteur radio ?

2

Convertis en Hz chacune des fréquences.

3

Donne en notation scientifique la valeur de ces fréquences en Hz.

4

Classe les différentes utilisations de puces RFID selon leur fréquence croissante.

5

Selon toi, quelles informations peuvent contenir une puce RFID implantée sous la peau d’un animal de compagnie ?

Doc. 2

Puce RFID pour la protection d’un article en magasin.

La spirale en métal (ligne claire) constitue l’antenne.

Exercice 26 : Le chant des baleines.

Ce lien te permet d’entendre l’enregistrement d’un chant de baleine à bosses au large de l’Alaska. L’analyse par certains appareils a montré que la gamme de fréquence des sons émis se situe entre 20 Hz et 10 kHz. Ces chants peuvent être utilisés pour la séduction lors des périodes d’accouplements. Il possède un avantage important : le chant des baleines à bosse peut être entendu par d’autres baleines situées à 1 000 km de distance !

1

Le chant des baleines à bosse est-il audible par les êtres humains ? Justifie ta réponse.

2

Quels types de sons audibles par les humains ne sont pas émis par les baleines à bosse ?

3

Calcule le temps (en s) que met le chant d’une baleine à bosse pour atteindre une de ses congénères située à 1 000 km d’elle.

Exercice 27 : Les rayons X.

Les rayons X ont été découverts en 1895 par le physicien Allemand Röntgen, qui a reçu pour cela le premier prix nobel de Physique. Les rayons X sont des signaux électromagnétiques, situés au delà des ultraviolets. Leur fréquence varie entre 3 000 × 1012 Hz et 3,00 × 1019 Hz. Ils se propagent facilement dans les matériaux ayant une faible masse volumique. Plus le matériau a une masse volumique élevée, plus les rayons X sont absorbés. Parfois, ils n’arrivent pas à traverser le matériau. Mais ils peuvent être dangereux pour nos organes si nous sommes exposés trop longtemps. Ainsi, le personnel médical qui les utilisent lors de radiographies de notre squelette comme les radiologues, porte des tabliers en plomb pour se protéger.

1

Donne, à partir de tes connaissances personnelles, une utilisation non-médicale des rayons X.

2

Parmi les fréquences présentes dans l’énoncé, l’une d’elles n’est pas en notation scientifique. Laquelle ? Donne sa valeur à l’aide de la notation scientifique.

3

L’image suivante montre une des premières radiographies réalisées par Röntgen. Explique pourquoi la bague apparaît sombre sur la radio.

4

D’après cette image, que peux-tu dire sur la masse volumique des os par rapport à la masse volumique des muscles ou de la peau ? Justifie ta réponse.

5

Grâce au tableau du document 4, explique la mesure de protection mise en place pour protéger les radiologues des rayons X.

6

D’après le document 4, peut-on être radiographié avec des vêtements en coton ?

Doc. 5

Une des premières radiographies effectuées par Röntgen.

Exercice 28 : Les rayons gamma.

Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques dont la fréquence est au-delà de celle des rayons X, c’est-à-dire que leur fréquence est supérieure à 3,00 x 1019 Hz. Ils sont extrêmement dangereux pour nos organes car ils peuvent provoquer des brûlures, ou des cancers. Ils sont émis par des substances radioactives, par des trous noirs ou lors d’explosion d’étoiles (supernova). Heureusement notre atmosphère absorbent les rayons gamma venus de l’espace. Sinon, il faut une couche de 6,6 cm de plomb (on parle d’un blindage en plomb) pour arrêter 99 % des rayons gamma.

1

Parmi les signaux électromagnétiques du tableau, lesquelles appartiennent à la catégorie des rayons gamma ?

2

L’observation des rayons gamma provenant des trous noirs est-elle possible directement sur le sol terrestre ? Justifie ta réponse.

3

Quels seraient les risques pour des astronautes résidant dans la station spatiale internationale si celle-ci n’était pas blindée ?

Exercice 29 : Ultraviolet et bronzage.

La lumière ultraviolette émise par le Soleil est dangereuse. 95 % de cette lumière qui atteint le sol terrestre est constituée d’UV A (fréquence comprise entre 750 x 1012 Hz et 952 x 1012 Hz) qui favorisent le bronzage immédiat mais aussi le vieillissement de la peau et certains cancers de la peau. Ils sont aussi nocifs pour les yeux des enfants. Les UV B dont la fréquence varie entre 952 x 1012 Hz et 1015 Hz sont très cancérigènes. Ils sont aussi responsables des coups de soleil. On peut se protéger des UV B en utilisant une crème solaire d’indice de protection 50, parfois appelé « écran total ». Attention, l’indice 50 signifie qu’il faudra par exemple 50 fois plus de temps pour attraper un coup de soleil qu’en n’ayant aucune protection. Enfin les UV C, (entre 1015 Hz et 3,0 x 1015 Hz), encore plus dangereux, sont arrêtés par la couche d’ozone de la haute atmosphère.

1

Quel est le pourcentage d’UV B qui atteignent le sol terrestre ? Justifie ta réponse.

2

Exprime en notation scientifique les fréquences maximales et minimales des UV A.

3

Marina attrape un coup de soleil en s’exposant 2 min au soleil vers 14 heures l’été. Avec une protection d’indice 50, en combien de temps aurait-elle attrapé un coup de soleil ?

4

D’après la question précédente, pour quelle raison ne devrait-on pas appeler « écran total » les crèmes solaires d’indice 50 ou plus ?

5

Les UV A et B peuvent-ils se propager à travers l’ozone ? Justifie ta réponse.

6

Durant un trajet en voiture en plein soleil, le passager avant a laissé son bras gauche dépassé à travers la vitre baissée de sa portière. Il constate à l’arrivée de son trajet que son bras gauche est rouge et douloureux. Son bras droit ne pose aucun problème.Quelle conclusion peut-on faire quant à la propagation des UV B ?

Parcours de compétences

Pour tester la qualité de pièces métalliques, on utilise un contrôle par ultrasons : un émetteur envoie un signal dans le métal. S’il rencontre une interface entre deux milieux de propagation différents, le signal est réfléchi puis capté par un récepteur. L’écran d’un oscilloscope permet de visualiser les signaux reçus. On teste deux pièces de métal identiques.

1

La pièce n°1 est conforme. Comment interpréter l’oscillogramme de la pièce n°2 ?

Doc. 1

Interpréter des résultats.

Coup de pouce : Quelles différences y a-t-il entre les oscillogrammes des pièces testées ?

Coup de pouce : Sur les oscillogrammes, à quoi correspond le pic le plus à gauche ? À quoi correspondent le ou les pics suivants ?

Coup de pouce : Que signifie la présence du pic supplémentaire de l’oscillogramme de la pièce n°2 ?

Coup de pouce : Explique la signification des pics observés sur les deux oscillogrammes dans une réponse argumentée et structurée.