Des signaux lumineux ou sonores pour transmettre des informations

I. Conditions et vitesse de propagation du son et de la lumière : rappels

Pour bien comprendre comment le son et la lumière transportent des informations, il est important de réinvestir les connaissances sur leurs conditions et vitesses de propagation.

1. Propagation d'un signal sonore (son)

$\textcolor{purple}{\text{a. Mise en vibration}}$

• L'émission d'un signal sonore (ou son) résulte de la mise en vibration d'un objet.

• Par exemple, lorsque l'on tire sur une corde de guitare et qu'on la relâche, la corde émet un son car elle entre en vibration.

$\textcolor{purple}{\text{b. Support d'un signal sonore}}$

• La corde de guitare vibre et communique cette vibration aux molécules d'air environnantes puis aux molécules d'air voisines, de proche en proche. C'est ainsi que se propage le signal sonore émis par la corde. On remarque dès lors qu'il est nécessaire d'avoir un milieu matériel (ici l'air) afin que le signal sonore puisse se propager :

• Un milieu matériel est un espace contenant de la matière (atomes ou molécules). Il sert donc de support de propagation d'un signal sonore.

• Dans le vide, un signal sonore ne se propage pas, dans la mesure où il n'y a pas de particules (atomes ou molécules) pour transmettre les vibrations.

$\textcolor{purple}{\text{c. Vitesse de propagation d'un signal sonore (rappel)}}$

• La vitesse de propagation $v$ d'un signal sonore est définie par :

  $\boxed{v = \dfrac{d}{\Delta t}}$

  où $d$ est la distance parcourue par le signal pendant la durée $\Delta t$.

• Exemples :

  $\circ$ La vitesse de propagation d'un signal sonore dans l'air à une température de 20°C vaut environ $340~\text{m/s}$.

  $\circ$ Dans l'eau, un signal sonore se propage à environ $1~500~\text{m/s}$.

• Propriété :

  La vitesse de propagation d'un signal sonore est dépendante du milieu matériel. Celle-ci est d'autant plus grande que le milieu est dense.

• Remarque :

  $\circ$ La vitesse de propagation d'un son dans l'air est beaucoup plus petite que la vitesse de la lumière dans l'air.

  $\circ$ C'est pour cette raison qu'il arrive parfois, lors d'un orage, qu'on entende le son du tonnerre seulement quelques secondes après qu'on ait vu un éclair, la lumière parcourant plus vite la distance nous séparant de l'éclair que le son émis par ce dernier.

2. Propagation d'un signal lumineux (lumière)

• Propriétés :

  $\circ$ La lumière se propage en ligne droite. Ce principe est utilisé dans de nombreuses applications, comme les lasers et les systèmes de visée.

  $\circ$ La lumière peut se propager dans le vide ainsi que dans certains milieux transparents comme l'air, l'eau et le verre. En effet, contrairement au son, la lumière n'a pas besoin d'un milieu matériel pour se propager.

• Vitesse de propagation d'un signal lumineux :

  La vitesse de la lumière dans le vide est d'environ $300~000~\text{km/s}$. C'est la vitesse maximale à laquelle l'information peut voyager selon les lois de la physique.

II. Utilisation du son et de la lumière pour transporter une information

Le son et la lumière sont des moyens efficaces pour émettre et transporter des informations. Ils permettent de communiquer à distance et sont utilisés dans de nombreuses technologies.

• Le son comme moyen de communication : depuis les tam-tams dans des anciennes civilisation, jusqu'aux sirènes d'alarme de nos jours, les signaux sonores ont toujours été utilisés pour transmettre des messages. Les signaux sonores peuvent voyager à travers divers milieux matériels, ce qui les rend utiles pour la communication.

• La lumière comme moyen de communication : les signaux lumineux peuvent transporter des informations avec une grande précision et une faible perte de signal.

• Exemple d'application :

  $\circ$ Les communications par satellite utilisent la propagation de la lumière pour transmettre des signaux sur de longues distances dans le vide de l'espace.

  $\circ$ Les satellites reçoivent et renvoient des signaux lumineux pour permettre les communications téléphoniques, télévisuelles et internet à travers le monde.

III. Perception du son : introduction à la notion de fréquence

• La notion de fréquence est essentielle pour comprendre les sons. La fréquence d'un son est définie comme le nombre de vibrations par seconde et est mesurée en hertz ($Hz$).

• Trois gammes de fréquences sont associées à la perception d'un son :

  $\circ$ Sons audibles : les sons audibles par l'oreille humaine ont des fréquences comprises entre $20~\text{Hz}$ et $20~000~\text{Hz}$. Ces sons sont ceux que nous entendons dans notre vie quotidienne, comme la musique, les conversations ou encore les bruits de la nature.

  $\circ$ Infrasons : les infrasons sont des signaux sonores dont la fréquence est inférieure à $20~\text{Hz}$. Bien que non audibles par l'oreille humaine, ils peuvent être perçus par certains animaux, comme les éléphants, qui les utilisent pour communiquer sur de longues distances.

  $\circ$ Ultrasons : les ultrasons sont des signaux sonores dont la fréquence est supérieure à $20~000~\text{Hz}$. Ils sont utilisés dans divers domaines, comme la médecine pour les échographies, et dans la technologie pour les capteurs de distance et les systèmes de navigation des chauves-souris.

• Exemple : les chauves-souris utilisent les ultrasons pour se diriger et chasser dans l'obscurité. Elles émettent des ultrasons et écoutent l'écho pour déterminer la position et la distance des objets autour d'elles : c'est l'écholocation.

IV. Applications pratiques

• Les technologies modernes utilisent le son et la lumière pour communiquer et transporter des informations de manière efficace et rapide. En étudiant ces principes, nous pouvons mieux apprécier les avancées technologiques qui améliorent notre vie quotidienne :

  $\circ$ Échographie : utilisation des ultrasons pour obtenir des images de l'intérieur du corps humain. Les ultrasons sont émis et les échos sont analysés pour créer des images des organes et des tissus.

  $\circ$ Fibres optiques : utilisation de la lumière pour transmettre des informations à travers des câbles en verre ou en plastique. Les fibres optiques sont utilisées dans les réseaux de télécommunication pour transporter des données à haute vitesse et avec une grande précision.

• Les systèmes d'acquisition d'un signal seront vus plus en détail en classe de seconde.