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Exercices – Ondes et information

Chapitre 10 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction. On prend \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\) pour la lumière dans le vide et \(c_{son}\approx340\ \text{m·s}^{-1}\) pour le son dans l'air.

Exercice 1 — Mécanique ou électromagnétique ?

Pour chaque onde, indiquer si elle est mécanique ou électromagnétique, et si elle peut se propager dans le vide : (a) le son d'une cloche ; (b) la lumière d'une étoile ; (c) une onde radio FM ; (d) les ultrasons d'une échographie ; (e) une onde sismique.

(a) mécanique — non (besoin d'air) ; (b) électromagnétique — oui ; (c) électromagnétique — oui ; (d) mécanique — non (besoin d'un milieu) ; (e) mécanique — non (se propage dans le sol).

Seules les ondes électromagnétiques (lumière, radio) se propagent dans le vide.

Exercice 2 — Longitudinale ou transversale ?

Indiquer si l'onde est longitudinale ou transversale : (a) une corde secouée verticalement pendant que l'onde avance horizontalement ; (b) le son dans l'air (compressions et dilatations dans le sens de propagation) ; (c) les vagues à la surface de l'eau ; (d) un ressort comprimé puis relâché le long de son axe.

(a) transversale (vibration perpendiculaire à la propagation) ; (b) longitudinale (vibration parallèle) ; (c) transversale (l'eau monte/descend, l'onde avance horizontalement) ; (d) longitudinale.

Exercice 3 — Période et fréquence

(a) Un son a une période \(T=2{,}5\ \text{ms}=2{,}5\times10^{-3}\) s. Calculer sa fréquence \(f\).
(b) Une onde a une fréquence \(f=50\) Hz. Calculer sa période \(T\).
(c) Ce son de 400 Hz est-il perceptible par l'oreille humaine ?

(a) \(f=\dfrac{1}{T}=\dfrac{1}{2{,}5\times10^{-3}}=400\ \text{Hz}\).

(b) \(T=\dfrac{1}{f}=\dfrac{1}{50}=0{,}020\ \text{s}=20\ \text{ms}\).

(c) \(400\) Hz est compris entre 20 Hz et 20 000 Hz : ce son est audible.

Exercice 4 — Longueur d'onde d'un son

Un haut-parleur émet un son de fréquence \(f=680\) Hz dans l'air (\(c_{son}=340\ \text{m·s}^{-1}\)).

(a) Calculer la longueur d'onde \(\lambda\) de ce son dans l'air.
(b) Le même son est émis dans l'eau (\(c=1500\ \text{m·s}^{-1}\)). Sa fréquence ne change pas. Calculer la nouvelle longueur d'onde.

(a) \(\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{340}{680}=0{,}50\ \text{m}\).

(b) \(\lambda'=\dfrac{c'}{f}=\dfrac{1500}{680}\approx2{,}2\ \text{m}\). Dans un milieu où le son va plus vite, la longueur d'onde est plus grande (à fréquence fixée).

Exercice 5 — Ondes électromagnétiques et spectre

(a) Une onde radio a une fréquence \(f=98{,}0\ \text{MHz}=98{,}0\times10^{6}\) Hz. Calculer sa longueur d'onde dans le vide.
(b) Une lumière verte a \(\lambda=530\ \text{nm}=530\times10^{-9}\) m. Calculer sa fréquence.
(c) Classer par fréquence croissante : ondes radio, lumière visible, rayons X.

(a) \(\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{98{,}0\times10^{6}}\approx3{,}1\ \text{m}\).

(b) \(f=\dfrac{c}{\lambda}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{530\times10^{-9}}=\dfrac{3{,}0\times10^{8}}{5{,}30\times10^{-7}}\approx5{,}7\times10^{14}\ \text{Hz}\).

(c) Fréquence croissante : ondes radio < lumière visible < rayons X (et longueur d'onde décroissante dans le même ordre).

Exercice 6 — Transmission, réflexion, absorption

Pour chaque situation, nommer le phénomène principal (transmission, réflexion ou absorption) et justifier en une phrase :

  1. On voit son reflet dans une vitre le soir.
  2. La lumière du jour éclaire l'intérieur d'une pièce à travers la fenêtre.
  3. Un casque anti-bruit atténue fortement le bruit d'un atelier.
  4. Un radar routier reçoit l'onde renvoyée par une voiture.

1. Réflexion : la lumière rebondit sur la vitre et revient vers l'œil.
2. Transmission : la lumière traverse le verre.
3. Absorption : le matériau du casque capte l'énergie sonore et l'atténue.
4. Réflexion : l'onde émise est renvoyée par la voiture vers le radar.

Exercice 7 — Hauteur, intensité et intensité acoustique

(a) Deux sons ont respectivement une fréquence de 200 Hz et 2000 Hz, avec la même amplitude. Lequel est le plus aigu ? Lequel est le plus fort ?
(b) Une enceinte rayonne une puissance acoustique \(P=0{,}80\) W répartie uniformément sur une surface \(S=4{,}0\ \text{m}^2\). Calculer l'intensité acoustique \(I\).
(c) Si on s'éloigne, la surface traversée par le son devient \(S'=16\ \text{m}^2\) pour la même puissance. Que devient \(I'\) ?

(a) Le son de 2000 Hz est le plus aigu (fréquence plus grande). À amplitude égale, les deux ont la même intensité : aucun n'est plus fort que l'autre.

(b) \(I=\dfrac{P}{S}=\dfrac{0{,}80}{4{,}0}=0{,}20\ \text{W·m}^{-2}\).

(c) \(I'=\dfrac{P}{S'}=\dfrac{0{,}80}{16}=0{,}050\ \text{W·m}^{-2}\) : en s'éloignant, la surface augmente donc l'intensité reçue diminue.

Problème type — le télémètre à ultrasons

Un capteur à ultrasons (comme ceux des aides au stationnement) émet une brève salve d'ultrasons dans l'air (\(c_{son}=340\ \text{m·s}^{-1}\)) et mesure le temps que met l'écho à revenir après réflexion sur un obstacle.

(a) L'onde émise est-elle mécanique ou électromagnétique ? Longitudinale ou transversale ? Un ultrason est-il audible ?
(b) L'écho revient après \(\Delta t=12\ \text{ms}=12\times10^{-3}\) s. Calculer la distance \(d\) entre le capteur et l'obstacle. (Attention : l'onde fait un aller-retour.)
(c) La fréquence des ultrasons utilisés est \(f=40\ \text{kHz}=40\times10^{3}\) Hz. Calculer leur longueur d'onde dans l'air.
(d) Le fabricant annonce une portée maximale de \(4{,}0\) m. Quel serait alors le temps d'aller-retour \(\Delta t_{max}\) ?

(a) L'ultrason est une onde mécanique (il lui faut l'air), longitudinale (comme le son) et non audible (fréquence > 20 kHz).

(b) L'onde parcourt l'aller-retour, soit \(2d\) : \(2d=c\,\Delta t=340\times12\times10^{-3}=4{,}08\) m. Donc \(d=\dfrac{4{,}08}{2}\approx2{,}0\) m.

(c) \(\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{340}{40\times10^{3}}=8{,}5\times10^{-3}\ \text{m}=8{,}5\ \text{mm}\).

(d) Aller-retour sur \(2\times4{,}0=8{,}0\) m : \(\Delta t_{max}=\dfrac{2d}{c}=\dfrac{8{,}0}{340}\approx2{,}4\times10^{-2}\ \text{s}=24\ \text{ms}\).