Physique-chimie · Terminale · Ondes et Information · 2e Trimestre

Ondes sonores et ultrasons

Les élèves étudient les propriétés des ondes sonores et ultrasons, leur production et leur détection.

• Programmes Officiels
• EDNAT.PH.01

À propos de ce thème

Les ondes sonores et les ultrasons ouvrent le chapitre sur les ondes au programme de Terminale. Le son est une onde mécanique longitudinale qui nécessite un milieu matériel pour se propager. Les compressions et dilatations successives du milieu transportent l'énergie sans transporter la matière. La fréquence détermine la hauteur perçue : les sons audibles vont de 20 Hz à 20 kHz, et les ultrasons se situent au-delà de cette limite.

La célérité du son dépend du milieu : environ 340 m/s dans l'air à 20 °C, 1 500 m/s dans l'eau et plus de 5 000 m/s dans l'acier. Cette variation est liée aux propriétés élastiques et à la masse volumique du milieu. Les élèves doivent savoir exploiter la relation v = λf et mesurer expérimentalement la célérité du son.

Les activités de mesure directe (chronomètre, capteurs ultrasonores, analyse spectrale) et les recherches sur les applications médicales et industrielles des ultrasons ancrent ces concepts dans des contextes concrets et motivants.

Questions clés

1. Expliquer la nature des ondes sonores et leur propagation.
2. Analyser les applications des ultrasons en médecine et dans l'industrie.
3. Comparer la célérité du son dans différents milieux.

Objectifs d'apprentissage

• Comparer la célérité du son dans différents milieux (air, eau, solides) en utilisant des données expérimentales.
• Analyser les applications des ultrasons en imagerie médicale (échographie) et en contrôle industriel (contrôle non destructif).
• Expliquer la production et la détection des ondes sonores et ultrasonores à l'aide de modèles.
• Calculer la distance d'un objet en utilisant la relation entre la célérité, le temps de parcours et la distance pour les ultrasons.

Avant de commencer

Ondes et signaux

Pourquoi : Les élèves doivent avoir une compréhension de base de ce qu'est une onde (propagation, énergie) avant d'aborder les spécificités des ondes sonores.

Notions de base sur les milieux matériels

Pourquoi : La propagation du son dépendant des propriétés des milieux, une connaissance des états de la matière et de leurs caractéristiques est nécessaire.

Vocabulaire clé

Onde mécanique longitudinale	Une onde dont les particules du milieu vibrant parallèlement à la direction de propagation de l'onde. Le son en est un exemple typique.
Célérité du son	La vitesse de propagation d'une onde sonore dans un milieu donné. Elle dépend des propriétés du milieu (élasticité, masse volumique).
Ultrasons	Sons dont la fréquence est supérieure à la limite audible par l'homme, généralement au-delà de 20 kHz. Ils sont utilisés dans diverses applications technologiques.
Transducteur ultrasonore	Dispositif capable de convertir une énergie électrique en énergie ultrasonore (émetteur) ou inversement (récepteur).

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

Le son se propage dans le vide.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le son est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel (solide, liquide ou gaz) pour se propager. Dans le vide, aucune particule ne peut transmettre les vibrations. La célèbre expérience de la cloche sous vide (vidéo ou démonstration) permet de montrer cette impossibilité de manière frappante.

Idée reçue courante

Les ultrasons sont dangereux pour la santé humaine.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Les ultrasons utilisés en diagnostic médical (échographie) sont à des puissances très faibles et considérés comme sans danger. Seuls les ultrasons de forte puissance (nettoyage industriel, lithotripsie) peuvent avoir des effets biologiques. Le Puzzle sur les applications permet de distinguer les différents régimes de puissance.

Idée reçue courante

Le son se propage plus vite dans les milieux moins denses.

Ce qu'il faut enseigner à la place

C'est souvent l'inverse : le son va plus vite dans les solides (acier : 5 000 m/s) que dans l'air (340 m/s), car la rigidité du milieu compte davantage que sa densité. La célérité dépend du rapport entre le module d'élasticité et la masse volumique. Le classement en Penser-Partager-Présenter révèle cette erreur fréquente.

Idées d'apprentissage actif

Investigation collaborative : Mesurer la célérité du son

En petits groupes, les élèves mesurent la célérité du son dans l'air par deux méthodes : mesure du temps de parcours avec deux microphones espacés et analyse de la longueur d'onde avec un tube de Kundt ou un émetteur-récepteur ultrasonore. Ils comparent les résultats et évaluent les incertitudes.

45 min·Petits groupes

Puzzle: Applications des ultrasons

Quatre groupes experts étudient chacun une application : échographie médicale, contrôle non destructif industriel, sonar sous-marin et nettoyage par ultrasons. Chaque groupe prépare une présentation de 3 minutes. Les élèves se redistribuent en groupes mixtes pour partager leurs découvertes.

35 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: Son dans différents milieux

Chaque élève reçoit un tableau avec la célérité du son dans l'air, l'eau, le bois et l'acier. Individuellement, ils classent ces milieux et formulent une hypothèse sur le facteur déterminant. En binômes, ils testent leur hypothèse en reliant célérité, rigidité et masse volumique.

15 min·Binômes

Analyse spectrale : Identifier des sons

En binômes, les élèves enregistrent différents sons (diapason, voix, instrument de musique) avec un logiciel d'analyse spectrale (Audacity ou similaire). Ils identifient la fréquence fondamentale et les harmoniques, puis relient le spectre au timbre perçu.

30 min·Binômes

Liens avec le monde réel

• Les échographies prénatales utilisent des ultrasons pour visualiser le fœtus, permettant aux médecins de suivre son développement et de détecter d'éventuelles anomalies sans risque pour la mère ou l'enfant.
• Dans l'industrie, les contrôles non destructifs par ultrasons permettent de détecter des défauts internes (fissures, porosités) dans des matériaux comme l'acier ou le béton, assurant la sécurité des structures (ponts, avions).
• Les sonars équipant les navires utilisent des ultrasons pour cartographier les fonds marins, détecter des obstacles ou localiser des bancs de poissons, aidant ainsi à la navigation et à la pêche.

Idées d'évaluation

Billet de sortie

Demandez aux élèves de répondre par écrit à deux questions : 1. Citez un milieu où le son se propage plus rapidement que dans l'air et expliquez brièvement pourquoi. 2. Donnez une application concrète des ultrasons et décrivez en une phrase le principe de cette application.

Vérification rapide

Projetez une image d'un appareil d'échographie. Posez les questions suivantes : Quel type d'onde est utilisé ? Comment l'appareil permet-il de visualiser une image ? Quel est le rôle du transducteur ?

Question de discussion

Lancez une discussion en classe : 'Imaginez que vous êtes ingénieur acoustique. Comment pourriez-vous utiliser les propriétés des ondes sonores et des ultrasons pour améliorer la conception d'une salle de concert ou pour développer un nouveau système de détection de fuites dans une canalisation ?'

Questions fréquentes

Quelle est la vitesse du son dans l'air en physique de Terminale ?

La célérité du son dans l'air est d'environ 340 m/s à 20 °C. Elle augmente légèrement avec la température (environ +0,6 m/s par degré). Cette valeur est à connaître pour les exercices, mais les élèves doivent aussi savoir la mesurer expérimentalement, ce qui est au programme de Terminale.

Comment les ultrasons sont-ils utilisés en médecine ?

L'échographie utilise des ultrasons (2 à 15 MHz) envoyés dans le corps. Ils se réfléchissent aux interfaces entre tissus de densités différentes. Le temps de retour et l'intensité de l'écho permettent de construire une image. C'est une technique non invasive, sans rayonnement ionisant, utilisée notamment pour le suivi de grossesse et l'imagerie abdominale.

Quelle est la relation entre fréquence, longueur d'onde et célérité du son ?

La relation fondamentale est v = λf, où v est la célérité (m/s), λ la longueur d'onde (m) et f la fréquence (Hz). Pour un même milieu, quand la fréquence augmente, la longueur d'onde diminue (v constante). Un son de 1 000 Hz dans l'air a une longueur d'onde de 34 cm.

Comment les activités pratiques aident-elles à comprendre les ondes sonores ?

Mesurer soi-même la célérité du son avec deux microphones rend concret un nombre abstrait. L'analyse spectrale de sa propre voix ou d'un instrument crée un lien personnel avec les concepts de fréquence et d'harmoniques. Le Puzzle sur les applications montre que ces principes physiques ont des retombées technologiques directes dans la vie quotidienne.