Chapitre 10 | Première STL — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée
Les réponses doivent être justifiées. Le soin, les unités et le nombre de chiffres significatifs sont notés.
Données : célérité du son dans l'air \(c=340\ \text{m·s}^{-1}\), dans l'eau \(1500\ \text{m·s}^{-1}\), dans l'acier \(5000\ \text{m·s}^{-1}\) ; \(I_0=10^{-12}\ \text{W·m}^{-2}\).
1. Qu'est-ce qu'une onde mécanique progressive ? Que transporte-t-elle ? Peut-elle se propager dans le vide ? (2 pts)
2. Indiquer si chaque onde est transversale ou longitudinale : (a) une secousse verticale sur une corde ; (b) le son dans l'air. (1,5 pt)
3. Donner l'ordre de grandeur de la célérité du son dans un gaz (air), un liquide (eau) et un solide (acier). Classer du plus lent au plus rapide. (1,5 pt)
4. Rappeler la relation liant longueur d'onde \(\lambda\), célérité \(c\) et fréquence \(f\). Préciser les unités. (1 pt)
1. C'est la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel, de proche en proche. Elle transporte de l'énergie (pas de matière : le milieu oscille sur place). Elle ne peut pas se propager dans le vide (milieu matériel nécessaire). (2 pts)
2. (a) transversale ; (b) longitudinale. (0,75 pt chacune)
3. Air \(\approx 340\ \text{m·s}^{-1}\) ; eau \(\approx 1500\ \text{m·s}^{-1}\) ; acier \(\approx 5000\ \text{m·s}^{-1}\). Ordre croissant : gaz < liquide < solide (air, puis eau, puis acier).
4. \(\lambda=cT=\dfrac{c}{f}\), avec \(\lambda\) en m, \(c\) en m·s\(^{-1}\), \(T\) en s, \(f\) en Hz.
Un navire équipé d'un sonar émet une salve d'ultrasons vers le fond marin. L'écho revient après une durée totale (aller-retour) \(\Delta t=0{,}40\) s. La célérité du son dans l'eau de mer est \(c=1500\ \text{m·s}^{-1}\).
1. Pourquoi utilise-t-on des ultrasons ? Sont-ils audibles par l'humain ? (1,5 pt)
2. Quelle distance le son a-t-il parcourue en tout ? En déduire la profondeur \(h\) du fond (attention à l'aller-retour). (3 pts)
3. Les ultrasons du sonar ont une fréquence \(f=50\ \text{kHz}\). Calculer leur longueur d'onde \(\lambda\) dans l'eau. (2 pts)
4. On refait la mesure au-dessus d'une couche d'air (dans une conduite) où \(c=340\ \text{m·s}^{-1}\), à la même fréquence \(f=50\ \text{kHz}\). La longueur d'onde est-elle plus grande ou plus petite ? Justifier sans nouveau calcul détaillé. (1,5 pt)
1. Les ultrasons \((f\gt 20\ \text{kHz})\) ne sont pas audibles par l'humain ; on les utilise car ils sont bien dirigés et n'importunent pas. À \(50\ \text{kHz}\gt 20\ \text{kHz}\), ils sont hors du domaine audible.
2. Distance totale parcourue : \(d=c\,\Delta t=1500\times0{,}40=600\ \text{m}\). C'est un aller-retour, donc la profondeur est la moitié : \(h=\dfrac{d}{2}=\dfrac{600}{2}=300\ \text{m}\).
3. \(\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{1500}{50\times10^{3}}=\dfrac{1500}{50000}=0{,}030\ \text{m}=3{,}0\ \text{cm}\).
4. À fréquence \(f\) fixée, \(\lambda=\dfrac{c}{f}\) : la célérité dans l'air \((340)\) est plus petite que dans l'eau \((1500)\), donc \(\lambda\) est plus petite dans l'air.
Lors d'un concert, un sonomètre placé dans la fosse mesure une intensité sonore \(I=10^{-2}\ \text{W·m}^{-2}\).
1. Calculer le niveau sonore \(L\) correspondant. (2 pts)
2. Ce niveau présente-t-il un risque auditif ? Justifier en le comparant au seuil de danger (≈ 85 dB) et au seuil de douleur (≈ 120 dB). (1,5 pt)
3. Un spectateur s'éloigne des enceintes : l'intensité qu'il reçoit est divisée par 100. Quel est le nouveau niveau sonore \(L'\) ? (1,5 pt)
4. Citer deux moyens concrets de se protéger du risque auditif. Pourquoi la perte auditive est-elle particulièrement grave ? (1 pt)
1. \(L=10\log\!\left(\dfrac{I}{I_0}\right)=10\log\!\left(\dfrac{10^{-2}}{10^{-12}}\right)=10\log(10^{10})=10\times10=100\ \text{dB}\).
2. \(100\ \text{dB}\) dépasse largement le seuil de danger (≈ 85 dB) : le risque auditif est réel, surtout en exposition prolongée. On reste toutefois sous le seuil de douleur (≈ 120 dB).
3. Diviser \(I\) par 100 \((=10^{2})\) retire \(10\log(100)=20\ \text{dB}\) : \(L'=100-20=80\ \text{dB}\). (On peut vérifier : \(I'=10^{-4}\ \text{W·m}^{-2}\), \(L'=10\log(10^{8})=80\ \text{dB}\).)
4. Deux moyens parmi : porter des bouchons ou un casque anti-bruit, s'éloigner des enceintes, limiter la durée d'exposition, baisser le volume. La perte est grave car les cellules ciliées détruites ne se régénèrent pas : le dommage est irréversible.