3P6 Des signaux pour observer et communiquer

  

PHYSIQUE-CHIMIE — CLASSE DE 3ᵉ

Des signaux pour observer et communiquer

Cours de révision — préparation au Diplôme National du Brevet (DNB)

Chapitre 1 · Les signaux lumineux

Chapitre 2 · Les signaux sonores

+ Fiche de révision express  •  Quiz corrigé  •  Exercice guidé façon brevet

Sessions du brevet 2026 / 2027

 

Sommaire

Chapitre 1 — Les signaux lumineux

1. Les sources de lumière

2. Les domaines de fréquence

3. La propagation de la lumière

4. Exercice résolu — décrire la propagation de la lumière

5. Exercice résolu — exploiter une thermographie infrarouge

Chapitre 2 — Les signaux sonores

1. La fréquence d'un son

2. La propagation du son

3. La sécurité auditive

4. Exercice résolu — estimer la distance d'un orage

Fiche de révision express

Quiz (QCM + questions courtes, corrigé inclus)

Exercice guidé façon brevet — mesurer une distance avec un signal (sonar)

 

Chapitre 1 — Les signaux lumineux

Objectifs du chapitre : connaître les sources de lumière, situer la lumière visible dans le spectre électromagnétique, et comprendre comment la lumière se propage.

1. Les sources de lumière

📘  Définition On distingue deux types de sources de lumière : ●        les sources primaires : elles produisent elles-mêmes leur propre lumière (le Soleil, une étoile, une flamme, une lampe allumée, un écran…) ; ●        les sources secondaires : elles ne produisent pas de lumière, mais diffusent (renvoient) la lumière qu'elles reçoivent d'une source primaire (la Lune, un miroir, la page de ce cours, un objet éclairé…).

 

 

Propagation rectiligne de la lumière (gauche) ; sources primaires et secondaires (droite).

2. Les domaines de fréquence

📘  Définition La lumière visible n'est qu'une petite partie d'un ensemble plus vaste appelé spectre électromagnétique, qui regroupe toutes les ondes électromagnétiques, classées selon leur fréquence (ou, de façon équivalente, leur longueur d'onde).

 

Le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma.

Domaine	Exemple d'usage courant
Ondes radio	radio, télévision, Wi-Fi, téléphone portable
Micro-ondes	four à micro-ondes, radars, télécommunications par satellite
Infrarouge (IR)	télécommande, caméra thermique, chauffage par rayonnement
Lumière visible	vision humaine, éclairage
Ultraviolet (UV)	bronzage (et risque de cancer de la peau), stérilisation
Rayons X	radiographie médicale, contrôle de bagages
Rayons gamma	radioactivité, traitement de certains cancers

 

🛠️  À retenir Toutes les ondes du spectre électromagnétique — y compris la lumière visible — se propagent à la même vitesse dans le vide : c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s (soit 300 000 km/s).

 

3. La propagation de la lumière

📘  Définition Dans un milieu transparent et homogène (comme l'air ou le vide), la lumière se propage en ligne droite : c'est la propagation rectiligne de la lumière. Cette propriété explique la formation des ombres : lorsqu'un obstacle opaque intercepte les rayons lumineux issus d'une source, il se forme une zone d'ombre derrière lui, dont la forme dépend de la position de la source et de l'obstacle. La lumière peut se propager dans le vide (c'est ainsi que la lumière du Soleil et des étoiles nous parvient à travers l'espace), contrairement au son (voir chapitre 2).

 

4. Exercice résolu — Décrire la propagation de la lumière

✏️  Énoncé La vitesse de la lumière dans le vide (et, de façon très proche, dans l'air) vaut c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s. La distance moyenne Terre-Lune est d₁ ≈ 3,84 × 10⁸ m ; la distance moyenne Terre-Soleil est d₂ ≈ 1,496 × 10¹¹ m. 1. Rappeler pourquoi on peut affirmer que la lumière se propage en ligne droite, et citer un phénomène du quotidien qui le montre. 2. Calculer la durée mise par la lumière pour parcourir la distance Terre-Lune. 3. Calculer la durée mise par la lumière du Soleil pour nous parvenir, en secondes puis en minutes et secondes. 4. Que peut-on en conclure sur ce que l'on « voit » réellement lorsqu'on observe le Soleil ou la Lune dans le ciel ?

 

✅  Corrigé 1. Propagation rectiligne : la lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent homogène. On l'observe par exemple grâce à la formation d'ombres nettes derrière un obstacle éclairé par une petite source (ombre portée), ou grâce à un faisceau de laser visible dans la fumée, qui apparaît rectiligne. 2. Durée Terre → Lune : t₁ = d₁ / c = 3,84 × 10⁸ / 3,00 × 10⁸ ≈ 1,28 s. 3. Durée Soleil → Terre : t₂ = d₂ / c = 1,496 × 10¹¹ / 3,00 × 10⁸ ≈ 498,7 s 498,7 s = 8 × 60 s + 18,7 s, soit t₂ ≈ 8 min 19 s. 4. Conclusion : en observant la Lune, on la voit telle qu'elle était environ 1,3 seconde plus tôt ; en observant le Soleil, on le voit tel qu'il était environ 8 minutes 19 secondes plus tôt. Plus un astre est loin, plus l'image que l'on en perçoit est « ancienne » : regarder loin dans l'espace, c'est en quelque sorte regarder dans le passé.

 

5. Exercice résolu — Exploiter une photographie en thermographie infrarouge

⚠️  Remarque Cet exercice porte sur le rayonnement infrarouge, qui fait partie du spectre électromagnétique étudié dans ce chapitre : c'est pourquoi il est placé ici plutôt qu'au chapitre 2 (signaux sonores), qui traite d'un phénomène physique différent.

 

✏️  Énoncé Une caméra thermique capte le rayonnement infrarouge émis par les objets (d'autant plus intense que la surface est chaude) et le transforme en image colorée : les couleurs froides (bleu, vert) correspondent aux basses températures, les couleurs chaudes (jaune, orange, rouge) aux températures élevées. Voici l'image thermographique obtenue pour la façade d'une maison :

 

 

Thermographie infrarouge d'une maison (image de synthèse à but pédagogique).

✏️  Questions 1. Quel type de rayonnement, invisible à l'œil nu, est capté par la caméra thermique ? 2. D'après l'image, quelles sont les zones de la maison qui perdent le plus de chaleur ? Justifier à partir des couleurs observées. 3. Comparer les deux fenêtres représentées sur l'image. Que peut-on en conclure sur leur isolation thermique ? 4. Proposer une utilité pratique de la thermographie infrarouge pour un particulier qui souhaite réduire sa facture de chauffage.

 

✅  Corrigé 1. La caméra thermique capte le rayonnement infrarouge (IR), invisible à l'œil humain mais émis par tout corps, d'autant plus fortement que sa température est élevée. 2. Les zones les plus chaudes (donc celles qui perdent le plus de chaleur vers l'extérieur) apparaissent en orange/rouge sur l'image : ici, la toiture et la porte d'entrée, ainsi que les bords latéraux du mur. 3. La fenêtre de gauche apparaît nettement plus chaude (orange/jaune) que celle de droite (bleu-vert, proche de la couleur du mur environnant) : la fenêtre de gauche est mal isolée (elle laisse fuir la chaleur), tandis que celle de droite est bien isolée. 4. Une thermographie permet de repérer précisément les points faibles de l'isolation d'un logement (toiture, portes, fenêtres…) afin de cibler des travaux de rénovation énergétique (isolation, changement de fenêtres) et ainsi réduire la consommation de chauffage et la facture d'énergie.

 

Chapitre 2 — Les signaux sonores

Objectifs du chapitre : connaître les caractéristiques d'un son (fréquence), comprendre comment il se propage, et connaître les règles de sécurité auditive.

1. La fréquence d'un son

📘  Définition La fréquence d'un son, exprimée en hertz (Hz), correspond au nombre de vibrations par seconde de la source sonore. Elle détermine la hauteur du son perçu : ●        un son grave a une fréquence basse ; ●        un son aigu a une fréquence élevée.

 

Sons grave et aigu ; domaines de fréquence (infrasons, sons audibles, ultrasons).

Domaine	Fréquence	Exemples
Infrasons	inférieure à 20 Hz	éléphants, baleines, certains séismes
Sons audibles par l'oreille humaine	de 20 Hz à 20 000 Hz environ	voix, musique, bruits courants
Ultrasons	supérieure à 20 000 Hz	chauves-souris, dauphins, sonar, échographie médicale

 

2. La propagation du son

📘  Définition Contrairement à la lumière, le son ne peut pas se propager dans le vide : il a besoin d'un milieu matériel (gaz, liquide ou solide) pour se propager, car il correspond à une vibration de la matière qui se transmet de proche en proche.

 

 

L'expérience de la cloche à vide illustre que le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager.

Milieu de propagation	Vitesse du son (ordre de grandeur)
Air (à 20 °C)	≈ 340 m/s
Eau	≈ 1 500 m/s
Acier	≈ 5 000 m/s
Vide	propagation impossible

 

🛠️  À retenir Le son se propage beaucoup plus lentement que la lumière (≈ 340 m/s contre ≈ 300 000 000 m/s dans l'air) : pour des distances de quelques kilomètres, on peut donc considérer que la lumière arrive quasi instantanément, alors que le son met un temps mesurable à se propager.

 

3. La sécurité auditive

📘  Le niveau sonore L'intensité d'un son perçu se mesure en décibels (dB). Une exposition trop intense ou trop prolongée à un son peut endommager l'oreille de façon irréversible.

 

Niveau sonore	Situation	Risque
30 dB	chuchotement	aucun
60 dB	conversation normale	aucun
85 dB	circulation dense, concert	risque après exposition prolongée
100-110 dB	concert, casque audio au maximum	danger réel, lésions possibles
120 dB et plus	décollage d'avion, coup de feu	seuil de la douleur, danger immédiat

 

⚠️  Sécurité Pour se protéger, on peut limiter le volume et la durée d'écoute (notamment au casque), utiliser des bouchons d'oreille ou un casque anti-bruit en milieu bruyant (concert, chantier), et s'accorder des pauses auditives. Les lésions auditives dues au bruit (acouphènes, perte d'audition) sont le plus souvent irréversibles.

 

4. Exercice résolu — Estimer la distance d'un orage

✏️  Énoncé Lors d'un orage, un observateur voit un éclair, puis entend le tonnerre 6 secondes plus tard. On donne la vitesse du son dans l'air : v ≈ 340 m/s. On considère que la lumière de l'éclair parvient à l'observateur de façon quasi instantanée. 1. Expliquer pourquoi on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre, alors que les deux sont produits au même endroit et au même instant. 2. Calculer la distance entre l'observateur et le point d'impact de la foudre. 3. Le seuil de sécurité communément admis considère qu'un orage est proche et dangereux si le délai mesuré est inférieur à 30 s (soit environ 10 km). L'observateur est-il en sécurité ?

 

La lumière de l'éclair est perçue bien avant le son du tonnerre.

✅  Corrigé 1. La lumière se propage à environ 300 000 km/s, une vitesse tellement grande que l'éclair est vu quasiment au moment où il se produit. Le son, lui, se propage beaucoup plus lentement (≈ 340 m/s) : il met donc un temps mesurable pour parcourir la distance jusqu'à l'observateur, d'où le décalage. 2. d = v × Δt = 340 × 6 = 2 040 m, soit environ 2,0 km. 3. 2,0 km est inférieur à 10 km (délai de 6 s < 30 s) : l'orage est proche, l'observateur doit se mettre à l'abri sans tarder.

 

Fiche de révision express

Une synthèse à relire juste avant le brevet : signaux lumineux, puis signaux sonores.

Signaux lumineux

🧮  À connaître par cœur ●        Sources primaires (produisent leur lumière : Soleil, lampe) / sources secondaires (diffusent la lumière reçue : Lune, miroir). ●        Spectre électromagnétique : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X, rayons gamma — classés par fréquence croissante. ●        Toutes ces ondes se propagent à c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s dans le vide (identique pour toute la lumière visible et les autres domaines). ●        Propagation rectiligne : la lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent homogène (d'où la formation d'ombres). ●        La lumière peut se propager dans le vide (contrairement au son). ●        Durée de propagation : t = d / c. Exemple : la lumière du Soleil met environ 8 min 19 s pour nous parvenir.

 

Signaux sonores

🧮  À connaître par cœur ●        Fréquence (en Hz) : son grave = fréquence basse, son aigu = fréquence élevée. ●        Domaine audible humain : 20 Hz à 20 000 Hz. Infrasons < 20 Hz ; ultrasons > 20 000 Hz. ●        Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager (il ne se propage pas dans le vide). ●        Vitesse du son ≈ 340 m/s dans l'air, ≈ 1 500 m/s dans l'eau — bien plus lente que la lumière. ●        Distance parcourue par un son : d = v × t (aller simple) ou d = v × t / 2 (pour un aller-retour, ex. écho/sonar). ●        Sécurité auditive : niveau sonore en décibels (dB) ; au-delà de 85 dB, risque pour l'audition en cas d'exposition prolongée ; protéger ses oreilles (bouchons, casque anti-bruit, pauses).

 

Quiz

10 questions à choix multiples (QCM) + 4 questions courtes. Le corrigé se trouve à la fin.

QCM (une seule bonne réponse par question)

1. La Lune est une source de lumière :

●        A. primaire

●        B. secondaire

●        C. ni l'une ni l'autre

2. Dans le spectre électromagnétique, l'infrarouge se situe :

●        A. entre le visible et les ultraviolets

●        B. entre les micro-ondes et le visible

●        C. entre les rayons X et les rayons gamma

3. Dans le vide, la lumière se propage à environ :

●        A. 340 m/s

●        B. 3 000 km/s

●        C. 300 000 km/s

4. La propagation rectiligne de la lumière explique notamment :

●        A. la formation des ombres

●        B. la couleur du ciel

●        C. la vitesse du son

5. Une caméra thermique capte le rayonnement :

●        A. ultraviolet

●        B. infrarouge

●        C. les rayons X

6. Un son grave a une fréquence :

●        A. élevée

●        B. basse

●        C. nulle

7. Le domaine audible par l'oreille humaine est environ :

●        A. 20 Hz - 20 000 Hz

●        B. 0 Hz - 200 Hz

●        C. 20 000 Hz - 200 000 Hz

8. Contrairement à la lumière, le son :

●        A. peut se propager dans le vide

●        B. ne peut pas se propager dans le vide

●        C. ne se propage jamais dans l'air

9. Un niveau sonore de 120 dB correspond :

●        A. à un chuchotement

●        B. à une conversation normale

●        C. au seuil de la douleur

10. Lors d'un orage, on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre car :

●        A. le son n'existe pas encore

●        B. la lumière se propage beaucoup plus vite que le son

●        C. le tonnerre se produit après l'éclair

Questions courtes

1.    Citer un exemple de source de lumière primaire et un exemple de source de lumière secondaire.

2.    Pourquoi peut-on dire qu'observer une étoile lointaine, c'est « regarder dans le passé » ?

3.    Expliquer pourquoi les astronautes ne peuvent pas se parler directement (sans radio) lorsqu'ils sont en scaphandre dans l'espace, en dehors de leur vaisseau.

4.    Donner deux règles simples permettant de protéger son audition au quotidien.

Corrigé du quiz

✅  QCM 1-B  •  2-A  •  3-C  •  4-A  •  5-B  •  6-B  •  7-A  •  8-B  •  9-C  •  10-B

 

✅  Questions courtes 1. Source primaire : le Soleil (ou une lampe, une flamme). Source secondaire : la Lune (ou un miroir, un objet éclairé). 2. Parce que la lumière met un certain temps pour parcourir la distance qui nous sépare de l'étoile ; l'image que l'on perçoit correspond donc à la lumière émise par l'étoile il y a longtemps (parfois des milliers ou des millions d'années), et non à son état actuel. 3. Dans l'espace, il n'y a pas d'air (c'est un quasi-vide) : le son, qui a besoin d'un milieu matériel pour se propager, ne peut donc pas s'y propager. Les astronautes doivent utiliser une radio, qui transmet des ondes électromagnétiques capables de se propager dans le vide. 4. Par exemple : limiter le volume et la durée d'écoute au casque, utiliser des bouchons d'oreille ou un casque anti-bruit en milieu bruyant (concert, chantier), s'éloigner des sources de bruit trop intenses, s'accorder des pauses auditives régulières.

 

Exercice guidé façon brevet

Mesurer une distance avec un signal : le sonar d'un bateau de pêche

Barème indicatif : /20 — durée conseillée : 25 min

✏️  Contexte Un bateau de pêche est équipé d'un sonar : cet appareil émet un signal ultrasonore vers le fond marin. Ce signal se réfléchit sur le fond et revient vers le bateau, où un capteur l'enregistre. Le sonar mesure ainsi la durée totale de l'aller-retour du signal, ce qui permet de calculer la profondeur d'eau sous le bateau. Donnée : vitesse du son dans l'eau de mer, v ≈ 1 500 m/s.

 

Principe du sonar : mesure de la profondeur par écho ultrasonore.

✏️  Questions 1. (3 pts) Le sonar utilise des ultrasons. Rappeler ce qu'est un ultrason et pourquoi ce choix est adapté à une utilisation sous l'eau. 2. (3 pts) Le signal émis par le sonar met une durée totale Δt = 0,80 s pour effectuer l'aller-retour jusqu'au fond marin et revenir au bateau. Pourquoi doit-on diviser cette durée par deux avant de calculer la profondeur ? 3. (6 pts) Calculer la profondeur d'eau sous le bateau. 4. (4 pts) Le même bateau utilise ensuite un signal lumineux (et non plus un signal sonore) pour tenter de mesurer une distance sous l'eau. Expliquer pourquoi cette méthode est beaucoup moins efficace que le sonar en milieu marin. 5. (4 pts) Citer un autre domaine (autre que la navigation) dans lequel on mesure une distance ou une profondeur à l'aide d'un signal réfléchi (écho).

 

✅  Corrigé détaillé 1. (3 pts) Un ultrason est un son de fréquence supérieure à 20 000 Hz, donc inaudible pour l'oreille humaine. Comme tout son, il a besoin d'un milieu matériel pour se propager : l'eau convient parfaitement (le son s'y propage même mieux et plus vite que dans l'air), ce qui rend les ultrasons adaptés à une utilisation sous-marine. 2. (3 pts) La durée Δt mesurée correspond au trajet aller ET retour du signal (bateau → fond → bateau), soit deux fois la profondeur. Il faut donc diviser Δt par 2 pour obtenir la durée du seul trajet aller, qui correspond à la profondeur réelle. 3. (6 pts) Durée de l'aller simple : Δt/2 = 0,80 / 2 = 0,40 s. Profondeur : d = v × (Δt/2) = 1 500 × 0,40 = 600 m. La profondeur d'eau sous le bateau est d'environ 600 m. 4. (4 pts) La lumière ne se propage pas bien dans l'eau : elle y est rapidement absorbée et diffusée (l'eau de mer devient vite opaque en profondeur), alors que le son s'y propage efficacement sur de longues distances. Un signal lumineux serait donc très vite atténué et inutilisable pour mesurer de grandes profondeurs, contrairement aux ultrasons. 5. (4 pts) Exemples possibles : l'échographie médicale (utilise des ultrasons réfléchis par les tissus du corps pour former une image), le radar (utilise des ondes électromagnétiques réfléchies pour mesurer une distance ou une vitesse), l'écholocation des chauves-souris ou des dauphins, un capteur de recul de voiture (ultrasons).