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.
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.
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.
(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.
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).
(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).
Pour chaque situation, nommer le phénomène principal (transmission, réflexion ou absorption) et justifier en une phrase :
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.
(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.
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 : \(\Delta t_{max}=\dfrac{2d}{c}=\dfrac{8{,}0}{340}\approx2{,}4\times10^{-2}\ \text{s}=24\ \text{ms}\).