Signaux sonores et lumineux — le cours complet
Le thème « Des signaux pour observer et communiquer » du programme de 3ème : le son, la lumière, leurs vitesses de propagation, les couleurs, et la différence entre signal analogique et numérique. Cours, formule v = d/t, exemples corrigés et définitions.
Qu’est-ce qu’un signal ?
Un signal est un phénomène physique qui transporte une information d’un émetteur vers un récepteur. Quand tu parles, ta voix (un son) transmet une information à ton interlocuteur ; quand un feu passe au vert, la lumière transmet l’ordre d’avancer.
Au collège, on étudie deux grands types de signaux : les signaux sonores (le son) et les signaux lumineux (la lumière). Tous deux se propagent — ils voyagent dans l’espace — à une vitesse bien précise, et c’est cette propagation qui permet de communiquer et d’observer le monde, de la parole jusqu’aux étoiles.
Les signaux sonores (le son)
Un son est toujours produit par un objet qui vibre : une corde de guitare, la membrane d’un haut-parleur, ou tes cordes vocales. Cette vibration fait vibrer l’air autour de l’objet, et la perturbation se transmet de proche en proche : c’est l’onde sonore.
Conséquence essentielle : le son a besoin d’un milieu matériel (l’air, l’eau, un solide) pour se propager. Dans le vide, il n’y a pas de son — c’est l’expérience de la cloche à vide, où une sonnerie devient inaudible quand on retire l’air. Le son se propage dans toutes les directions à partir de la source.
La vitesse du son dépend du milieu : elle vaut environ 340 m/s dans l’air, mais elle est bien plus grande dans l’eau (~1 500 m/s) et dans les solides (~5 000 m/s dans l’acier), car les particules y sont plus proches et transmettent mieux la vibration.
Les caractéristiques d’un son
Un son se décrit par deux grandeurs principales : sa fréquence et son amplitude.
| Caractéristique | L’essentiel à retenir |
|---|---|
| Fréquence (f) | Nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). Elle détermine la hauteur du son : un son grave a une basse fréquence, un son aigu a une haute fréquence |
| Domaine audible | L’oreille humaine entend de 20 Hz à 20 000 Hz environ. En dessous : les infrasons ; au-dessus : les ultrasons (chauves-souris, échographie, sonar…) |
| Amplitude | « Ampleur » de la vibration : elle détermine l’intensité du son, c’est-à-dire s’il est fort ou faible |
| Niveau sonore | Se mesure en décibels (dB). Conversation ≈ 60 dB, concert ≈ 110 dB, seuil de douleur ≈ 120 dB |
Les signaux lumineux (la lumière)
La lumière provient de sources lumineuses. On en distingue deux sortes : les sources primaires, qui produisent leur propre lumière (le Soleil, les étoiles, une lampe, une flamme, un écran) ; et les objets diffusants (ou sources secondaires), qui ne font que renvoyer la lumière qu’ils reçoivent (la Lune, un mur, cette page que tu lis).
Dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite : on la modélise par un rayon lumineux. Contrairement au son, la lumière se propage aussi dans le vide — c’est pour cela que la lumière du Soleil et des étoiles peut traverser l’espace jusqu’à nous.
Sa vitesse est la plus grande qui existe : environ 300 000 km/s, soit 3 × 10⁸ m/s dans le vide.
Lumière blanche et couleurs
La lumière blanche (celle du Soleil) n’est pas « sans couleur » : elle est en réalité composée de toutes les couleurs. Un prisme permet de la décomposer en un spectre continu, du rouge au violet — c’est exactement ce que font les gouttes de pluie dans un arc-en-ciel.
La couleur d’un objet s’explique par ce qu’il fait de la lumière qu’il reçoit : un objet diffuse (renvoie) certaines couleurs et absorbe les autres. Une pomme paraît rouge car elle diffuse le rouge et absorbe le reste. Un objet noir absorbe presque toute la lumière ; un objet blanc la diffuse presque entièrement.
La vitesse de propagation (v = d / t)
Le son comme la lumière se déplacent à une vitesse que l’on calcule avec la même formule que pour les mouvements :
Exemple 1 — L’orage. Tu vois un éclair, puis tu entends le tonnerre 6 secondes plus tard. À quelle distance est l’orage ? La lumière de l’éclair arrive quasi instantanément ; c’est donc le son qui met 6 s pour te parvenir. d = v × t = 340 × 6 = 2 040 m, soit environ 2 km.
Exemple 2 — La lumière du Soleil. Le Soleil est à 150 millions de km, soit d = 1,5 × 10¹¹ m. Combien de temps sa lumière met-elle à nous atteindre ? t = d / v = (1,5 × 10¹¹) ÷ (3 × 10⁸) = 500 s ≈ 8 min 20 s.
Signal analogique et signal numérique
Une information peut être transportée sous deux formes différentes :
| Type de signal | L’essentiel à retenir |
|---|---|
| Signal analogique | Varie de façon continue dans le temps. Exemple : le signal électrique produit par un micro qui capte une voix |
| Signal numérique | L’information est codée en une suite de 0 et de 1 (le binaire). Exemple : un fichier audio, une photo, les données qui circulent dans la fibre optique |
L’intérêt du numérique : il est moins sensible aux perturbations et se copie sans perte de qualité. C’est pourquoi la quasi-totalité de nos communications (téléphone, internet) est aujourd’hui numérique.
Les définitions essentielles
Méthode et exercice type corrigé
Beaucoup de questions sur les signaux demandent un calcul de vitesse, de distance ou de durée. La méthode est toujours la même : repérer la formule, l’écrire, remplacer par les valeurs, calculer, et ne pas oublier l’unité. Attention au piège classique de l’écho : le signal fait un aller-retour, donc la distance cherchée est la moitié de la distance parcourue.
Questions fréquentes (FAQ)
Fiche de révision PC (tout le programme)
Mouvements et forces
Atome et tableau périodique
Réactions chimiques
Électricité
Énergie
Maths : vitesse, durée, distance
Réviser le brevet (hub)