🎤 Mesurer la vitesse du son avec deux micros
340 m/s, c'est plus rapide qu'un avion de ligne… mais un oscilloscope n'a aucun mal à le chronométrer ! Clape, regarde au ralenti l'onde sonore atteindre le premier micro puis le second, mesure le décalage avec les curseurs et calcule la vitesse du son. Ensuite, essaie l'hélium, l'eau et un rail en acier.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- L'onde sonore part du claquoir et atteint d'abord M1, puis M2 : chaque micro la reçoit avec un retard τ = x / v.
- L'oscilloscope est déclenché par la voie 1 : le signal de M1 commence toujours à 1 division du bord ; celui de M2 est décalé de Δt.
- Plus les micros sont éloignés, plus le décalage est grand : d et Δt sont proportionnels, et les points du graphique sont alignés avec l'origine.
- Le signal de M2 est plus faible (le son s'étale en s'éloignant) : l'oscilloscope augmente sa sensibilité, et le bruit se voit davantage.
- Dans l'eau ou dans l'acier, le son va beaucoup plus vite : il faut une base de temps plus petite pour voir le décalage.
Expériences à faire
- Mesure Δt pour d = 1,00 m : trouves-tu environ 2,9 ms ? Quelle vitesse en déduis-tu ?
- Place le curseur t2 un peu trop tard (sur le premier sommet du signal au lieu de son début) : de combien ta vitesse est-elle fausse ?
- Chauffe la salle à 40 °C, puis refroidis-la à −10 °C : la vitesse du son dans l'air change-t-elle ?
- Avec la base de temps 0,5 ms/div, jusqu'à quelle distance entre les micros les deux signaux restent-ils sur l'écran ?
- Passe dans l'hélium : combien de fois plus vite que dans l'air ? Et dans l'acier ?
La physique derrière l'animation
- Célérité d'une onde : v = d / Δt, où Δt est la durée mise par l'onde pour parcourir la distance d. Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager.
- Avec deux micros : d = x2 − x1, et Δt est le décalage entre les débuts des deux signaux, lu sur l'oscilloscope : Δt = (nombre de divisions) × (base de temps).
- Dans l'air, v ≈ 340 m/s ; elle dépend de la température : v ≈ 331,3 × √(T / 273,15) avec T = θ + 273,15 (en K). Dans l'eau, v ≈ 1 480 m/s ; dans l'acier, v ≈ 5 900 m/s.
- Une série de mesures donne des points (Δt ; d) alignés avec l'origine : d = v × Δt. La pente de la droite (moindres carrés) estime v mieux qu'une seule mesure.
- Écart relatif à une valeur de référence : |vmes − vréf| / vréf. Ici, la précision dépend surtout du placement des curseurs au début des signaux.
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