Physique-Chimie 3e

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Dossier Brevet
Thème 1 : Organisation et transformations de la matière
Ch. 1
De l'Univers aux atomes
Ch. 2
Les ions dans notre quotidien
Ch. 3
Quand les acides et les bases réagissent
Ch. 4
La masse volumique
Thème 2 : Mouvement et interactions
Ch. 5
Vitesse et mouvement
Ch. 6
Les forces
Ch. 7
Le poids
Thème 3 : L'énergie et ses conversions
Ch. 8
La conservation de l'énergie
Ch. 9
Résistance et loi d'Ohm
Ch. 10
Puissance et énergie en électricité
Thème 4 : Des signaux pour observer et communiquer
Chapitre 11

Exercices

11 professeurs ont participé à cette page
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Je me teste

Je sais

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1
Les ondes hertziennes sont :




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2
Si la fréquence d'un son audible par un être humain augmente :




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3
La vitesse des ultrasons dans le vide :



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4
Parmi les types de signaux suivants, trouve l'intrus et justifie ta réponse.

Onde hertzienne - lumière visible - infrarouge - ultrason - ultraviolet - onde radio.
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5
Associe les différents signaux à leur vitesse dans l'air.

340 m/s 300 000 km/s
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6
Les infrasons et les ultrasons ne sont audibles pour aucun être vivant.


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7
La vitesse des ondes radio dans le vide :





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Je sais faire

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8
Un smartphone comporte généralement :






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9
Pour calculer la durée de propagation d'un ultrason sous l'eau :




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Exercice corrigé

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Compétence : Écrire des phrases claires, sans faute, en utilisant le vocabulaire adapté
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Doc. 1
Pluton.

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Doc. 2
Sonde New Horizons.

Placeholder pour Sonde New Horizons.Sonde New Horizons.
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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.
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Étapes de la méthode
  • 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.
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Corrigé
  • 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.
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Exercice similaire

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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.

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Je m'entraine

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12
Un exposé sur le dauphin.

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

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.

1. Retrouve les erreurs qu'a commises Éric et corrige-les.
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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.

Placeholder pour Tableau des domaines des sons audibles pour différentes espèces animales.Tableau des domaines des sons audibles pour différentes espèces animales.
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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 ?
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14
To bee or not to bee.

✔︎ Compétence : Comprendre et interpréter des tableaux ou des documents graphiques

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.

Placeholder pour Gammes de fréquence des signaux lumineux visibles pour les hommes et ceux perçus par les abeilles.Gammes de fréquence des signaux lumineux visibles pour les hommes et ceux perçus par les abeilles.
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1. Les abeilles sont-elles capables de percevoir les infrarouges selon cette hypothèse ? Explique ta réponse.
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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.
Placeholder pour Mesure du volume sonore.Mesure du volume sonore.
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1. L'image ci-dessus te montre la mesure du volume sonore en bordure d'une route fréquentée. Quelle conclusion peux-tu tirer de cette image ?

2. Explore ce et donne trois conseils afin de protéger les oreilles d'un vendeur de fruits qui travaillerait au bord de cette route.
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16
Notation scientifique.

On a mesuré différentes fréquences de signaux électromagnétiques.
Signal Fréquence en Hz Signal Fréquence en Hz
A 1,23 x 105 D 0,123 x 108
B 12,3 x 106 E 123 x 103
C 1,23 x 104 F 12 300

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.
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Une notion, trois exercices
Différenciation

Compétence : Pratiquer le calcul numérique et le calcul littéral
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17-A
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.

Placeholder pour Supernova.Supernova.
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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.
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17-B
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.

Placeholder pour Fausse supernova.Fausse supernova.
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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.
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17-C
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.

Placeholder pour Formation d'un système.Formation d'un système.
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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.
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J'approfondis

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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.

Placeholder pour <stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> Les sondes Voyager 1 et 2.<stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> Les sondes Voyager 1 et 2.
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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.
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19
Une hypothèse à tester.

✔︎ Compétence : Identifier différentes échelles spatiales

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 ?
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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.
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21
Infrarouges et énergie thermique perdue par les bâtiments.

Placeholder pour Thermographe 1.Thermographe 1.
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Thermographe 1.

Placeholder pour Thermographe 2.Thermographe 2.
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Thermographe 2.

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.
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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.
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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.
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24
La répartition des notes de musique.

Le tableau ci-dessous 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.
CordeNoteFréquence
1 (la plus fine)Mi329,6 Hz
2Si246,9 Hz
3Sol196 Hz
4146,8 Hz
5La110 Hz
6 (la plus grosse)Mi82,4 Hz

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.

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Je résous un problème

Compétence : Présenter mon résultat avec l'unité adaptée
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Doc. 1
Trajectoire de la sonde par rapport au soleil

Placeholder pour Trajectoire de la sonde par rapport au soleil.Trajectoire de la sonde par rapport au soleil.
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Doc. 2
Durée du vol.

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

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

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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.

Placeholder pour Puce RFID pour la protection d'un article en magasin.Puce RFID pour la protection d'un article en magasin.
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La spirale en métal (ligne claire) constitue l'antenne.

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

Exemples d'utilisationFréquences des signaux utilisés
Paiement sans contact13,56 MHz
Clé pour serrure électronique125 kHz
Pass pour télépéage2,45 GHz

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 ?

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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 !
MatériauVitesse du son (en m/s)
Air340
Vapeur d'eau494
Eau1 430
Fer5 950
Eau de mer1 530
Aluminim6 420
Vitesse du son à travers différents matériaux.

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