Fréquence et ultrasons : corrigé des exercices de sciences physiques 3e – PDF gratuit à télécharger et imprimer

1. Un son est produit par une vibration d’un objet ; il se transmet de proche en proche par les particules d’un milieu matériel. Dans le vide, il n’y a pas de particules : pas de son.
2. Le hertz (Hz) ; f = 1 ÷ T.
3. De 20 Hz à 20 000 Hz environ.
4. Les infrasons ont une fréquence inférieure à 20 Hz, les ultrasons supérieure à 20 kHz.

a. Faux : il lui faut un milieu matériel.
b. Vrai.
c. Faux : plus f est élevée, plus le son est aigu.
d. Faux : ils sont au-dessus de 20 kHz, inaudibles.
e. Vrai.
f. Vrai : 1 500 m/s contre 340 m/s.

1. 2,5 kHz = 2 500 Hz ; 3 MHz = 3 × 10⁶ Hz.
2. 15 000 Hz = 15 kHz ; 0,4 MHz = 400 kHz.
3. 0,5 ms = 5 × 10⁻⁴ s ; 250 µs = 2,5 × 10⁻⁴ s.
4. 0,004 s = 4 ms ; 2,0 × 10⁻⁵ s = 0,020 ms.

50 Hz : T = 1 ÷ 50 = 0,020 s (20 ms).
1 000 Hz : T = 1,0 ms.
T = 5,0 ms = 5,0 × 10⁻³ s : f = 1 ÷ T = 200 Hz.
T = 0,25 ms = 2,5 × 10⁻⁴ s : f = 4 000 Hz.
440 Hz : T = 1 ÷ 440 ≈ 2,27 ms.

1. S1 : un motif s’étend sur 4 divisions : T₁ = 4 × 0,5 = 2,0 ms. S2 : 2 divisions : T₂ = 1,0 ms.
2. f₁ = 1 ÷ 2,0 × 10⁻³ = 500 Hz ; f₂ = 1 ÷ 1,0 × 10⁻³ = 1 000 Hz.
3. S2 est le plus aigu : sa fréquence est plus élevée.
4. S1 : amplitude 1 division = 1 × 2 = 2,0 V ; S2 : 0,5 division = 1,0 V. S1 est le plus fort.

8 Hz : infrason. 35 Hz : audible, grave. 440 Hz : audible, médium. 12 kHz : audible, aigu. 25 kHz : ultrason. 4 MHz : ultrason.

1. La chauve-souris (jusqu’à 120 kHz) entend les plus élevées ; l’éléphant (16 Hz) les plus basses.
2. 30 kHz : inaudible pour l’homme (20 kHz maximum), audible pour le chien (46 kHz) et le chat (64 kHz).
3. 25 kHz : le chien, le chat et la chauve-souris.
4. 15 Hz est inférieur à 20 Hz : l’homme ne l’entend pas ; c’est un infrason.

1. d = v × t = 340 × 5,0 = 1 700 m.
2. d = 340 × 9,0 = 3 060 m (environ 3,1 km).
3. t = d ÷ v = 1 000 ÷ 340 ≈ 2,9 s.
4. La lumière va environ 900 000 fois plus vite que le son : sa durée de propagation sur quelques kilomètres est de l’ordre de 10 microsecondes, donc négligeable.

1. 2 × 85 = 170 m.
2. t = d ÷ v = 170 ÷ 340 = 0,50 s.
3. Distance aller-retour minimale : 340 × 0,10 = 34 m ; distance à l’obstacle : 34 ÷ 2 = 17 m.

1. A : 0,20 s ; B : 0,24 s ; C : 0,30 s ; D : 0,40 s ; E : 0,32 s ; F : 0,22 s.
2. d = v × t ÷ 2 : A : 1 500 × 0,20 ÷ 2 = 150 m ; D : 1 500 × 0,40 ÷ 2 = 300 m ; F : 1 500 × 0,22 ÷ 2 = 165 m.
3. Le fond est le plus profond en D, à 300 m.
4. E : 1 500 × 0,32 ÷ 2 = 240 m ; différence D − E = 300 − 240 = 60 m. Le fond descend de 150 m à 300 m (en D) puis remonte vers 165 m : c’est une cuvette.

1. Le plus vite dans l’acier (5 000 m/s), le moins vite dans l’air (340 m/s).
2. Air : 100 ÷ 340 ≈ 0,29 s ; acier : 100 ÷ 5 000 = 0,020 s.
3. 5 000 ÷ 340 ≈ 15 fois plus vite.
4. Non : dans le vide, il n’y a pas de particules pour transmettre la vibration.

1. L’écho est reçu à 12 ms.
2. d = v × t ÷ 2 = 340 × 0,012 ÷ 2 = 2,04 m.
3. Une partie de l’énergie est absorbée ou diffusée sur l’obstacle et pendant le trajet : l’écho est moins intense.
4. Le trajet aller-retour double : l’écho arrive à 24 ms.

1. 3,5 MHz = 3,5 × 10⁶ Hz.
2. T = 1 ÷ 3,5 × 10⁶ ≈ 2,9 × 10⁻⁷ s = 0,29 µs.
3. d = v × t ÷ 2 = 1 540 × 65 × 10⁻⁶ ÷ 2 ≈ 0,050 m = 5,0 cm.
4. Les ultrasons sont inaudibles, donc sans gêne pour le patient, et ils donnent des images précises car leur fréquence est élevée.

1. Le concert (105 dB) et le décollage d’un avion (125 dB).
2. On risque des lésions irréversibles de l’audition (perte auditive, acouphènes).
3. Par exemple : baisser le volume, porter des bouchons en concert, faire des pauses et s’éloigner des enceintes.

a. La fréquence s’exprime en hertz.
b. Le son ne se propage pas dans le vide.
c. Un son aigu a une fréquence élevée.
d. Les ultrasons ont une fréquence supérieure à 20 kHz.
e. Plus l’amplitude est grande, plus le son est fort.

1. Non : 50 kHz dépasse 20 kHz, c’est un ultrason.
2. T = 1 ÷ 50 000 = 2,0 × 10⁻⁵ s = 20 µs.
3. d = 340 × 0,020 ÷ 2 = 3,4 m.
4. Elle émet des ultrasons et écoute l’écho : la durée lui donne la distance de l’obstacle.

1. N = f × t = 440 × 3,0 = 1 320 vibrations.
2. T = 1 ÷ 440 ≈ 2,27 ms.
3. f′ = 2 × 440 = 880 Hz ; T′ = 1 ÷ 880 ≈ 1,14 ms.
4. Elle est plus aiguë. Pincer plus fort augmente l’amplitude : le son est plus fort, mais sa hauteur ne change pas.

1. d = 340 × 5,8 × 10⁻³ ÷ 2 ≈ 0,99 m.
2. Δd = 340 × 1,0 × 10⁻³ ÷ 2 = 0,17 m, soit 17 cm.
3. Avec 350 m/s, la même durée donne 350 × 5,8 × 10⁻³ ÷ 2 ≈ 1,01 m : si l’appareil utilise toujours 340 m/s, la mesure est légèrement faussée (environ 3 %).

1. t = 2 × 120 ÷ 1 500 = 0,16 s.
2. t = 2 × 45 ÷ 1 500 = 0,060 s.
3. Le banc (plus proche) renvoie son écho en premier, à 0,060 s ; le fond à 0,16 s : les échos arrivent dans l’ordre croissant des profondeurs.
4. Les ultrasons se propagent bien dans l’eau, peuvent être dirigés en faisceau étroit (précision) et ne dérangent ni les poissons ni les marins.

Calcul : d = 340 × 0,010 ÷ 2 = 1,7 m.
Exemple de rédaction. La chauve-souris émet des cris ultrasonores et capte leur écho. Quand ce cri rencontre un insecte, il est renvoyé vers elle. En mesurant la durée entre l’émission et le retour de l’écho, elle estime la distance : avec 10 ms, elle trouve d = 340 × 0,010 ÷ 2 = 1,7 m. Elle n’a donc pas besoin de lumière pour chasser. Les ultrasons conviennent car ils sont très directifs et renvoyés même par de petits objets comme un insecte, et ils ne gênent pas les autres animaux. Si l’insecte se rapproche, l’écho revient plus vite ; s’il s’éloigne, il revient plus tard. La chauve-souris ajuste sa trajectoire d’après ces durées.