Académie d'Aix-Marseille Pédagogie
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Les mesures des vitesses de la lumière et du son

 

Christian Malric
Professeur

 

Ces mesures se font sans le dispositif d'acquisition habituel en ExAO mais en utilisant les possibilités d'une carte son stéréo commune sur les ordinateurs.

 

            1 - Mesure de la vitesse des ondes hertziennes (et donc de la lumière)

 

a) Principe théorique

On écoute une même station de radio qui émet en grandes ondes et en FM sur 2 postes : un branché sur la FM et l'autre sur les grandes ondes. On subit alors un décalage très désagréable, la réception en GO étant en avance sur la FM. Cela est dû au fait que les 2 types d'ondes étant la plupart du temps émis en même temps, le signal GO est reçu presque immédiatement alors que le signal FM transite par Paris puis un satellite géostationnaire à  36 000 km au-dessus de l'équateur. Il en résulte une différence de marche de 76 000 km environ (calcul précis faisable en 3ème) qui va se traduire par un décalage horaire d'un quart de seconde détectable pour l'oreille et facilement mesurable pour une carte son.

 

b) Principe expérimental

On relie les prises écouteurs (jack mono) des 2 postes à l'entrée stéréo de la carte par un câble 2 fois mono d'un côté, une fois stéréo de l'autre.

On enregistre des paroles dont on va mesurer le décalage à l'aide du logiciel de traitement des ondes sonores (Wave Studio des cartes Sound Blaster, Audiored de la carte Guillemot, etc.)

 

Fichier audio (107 ko)

 

c) Matériel

2 postes de radio sur la même station, un en GO, l'autre en FM.

Un raccord reliant 2 fiches mâles jack (3,5) mono à une fiche mâle jack 3,5 stéréo.


Remarque : on trouve plus facilement un tel câble avec 2 fiches mâle cinch (comme dans les chaînes stéréo) d'un côté et la fiche mâle jack stéréo de l'autre.

Il faudra prendre en plus 2 adaptateurs femelles cinch-jack mâle 3,5 mono.

 

 

d) Expérience

On relie chaque fiche jack mono à la sortie écouteur d'un poste et la fiche jack stéréo à la prise Line In de la carte et on lance le logiciel d'enregistrement. Les postes fonctionnent : on entend la cacophonie radiophonique dans les hauts parleurs de l'ordinateur.

On choisit une période de paroles si possible un peu détachées et on enregistre une dizaine de mots.

Sur l'écran de contrôle on repère les mots identiques sur les deux voies et on mesure le décalage à l'aide de la souris. Sur cet écran on constate que le signal du poste en GO est sur la voie du haut. L'avance du début d'un mot sélectionné est de 0,260 s. Le calcul de la vitesse de la lumière donne   2,9 x 105 km/s.

Remarque : certaines stations émettrices introduisent de temps en temps un retard supplémentaire qui peut atteindre quelques dizaines de ms et peut fausser les mesures.

Il faut prévoir avec les élèves un enregistrement fait à l'avance sur lequel on pourra travailler.

 

Fig. C

            2 - Mesure de la vitesse du son

 

a) Principe théorique

Un bruit sec fait devant un microphone est ensuite capté par un autre micro distant d'une dizaine de mètres. Fichier audio.

Les 2 sons sont enregistrés et analysés au moyen de la carte son.

 

b) Principe expérimental

Un coup de marteau est donné sur un objet métallique (Ex. capuchon de bouteille de butane) devant un micro relié par une rallonge à une des extrémités mono du câble précédent. Un autre micro est relié directement à l'autre extrémité. Le double signal arrive décalé sur la carte où il est enregistré en stéréo ou en mono : cela n'a pas d'importance car le décalage est suffisant pour distinguer les 2 parties.

La mesure de la durée du décalage du début du son permettra de connaître la vitesse.

 

c) Matériel

2 microphones

une rallonge de 10 m de fil avec une jack mono femelle à chaque extrémité pour le 1er micro

un raccord jack mono double femelle pour le 2ème micro

Le raccord double mâle jack mono - jack stéréo de l'expérience précédente

1 marteau + 1 capuchon de bouteille de butane

 

d) Expérience

Placer le premier micro à 10 m du deuxième et si possible en plein air pour diminuer les réflexions.

Faire déclencher l'enregistrement et taper un coup de marteau sur le capuchon devant le premier micro (après le coup, maintenir le marteau contre le capuchon pour l'empêcher de vibrer).

Faire arrêter l'enregistrement, effectué ici en mono, assez rapidement pour retrouver plus facilement la portion intéressante.

 

 

Fig. D

 

Mesurer à l'aide de la souris la durée du décalage entre les 2 fronts des ondes à l'écran. Fig. D

Pour une distance d'environ 9,5 m, le décalage est de 0,028 s. Cela donne une vitesse de 339 m/s. Elle est de 343 m/s dans les conditions de mesure, ce qui fait une erreur de 1%.

 

         3 - Conclusion

           

Ces expériences montrent aux élèves que l'on peut utiliser l'ordinateur sans dispositif spécial d'acquisition. Ce dispositif est ici une carte son que l'on trouve sur tous les appareils multimédia qui se vendent actuellement.

            La mesure de la vitesse de la lumière pourra éventuellement être faite en 4ème pendant le cours d'optique, mais celle du son se fera en 3ème pendant le cours de mécanique. Les élèves risquent de revoir en seconde cette mesure faite avec un oscilloscope à mémoire. Et il est fort possible que certains, chez eux, essaient de mesurer la vitesse de la lumière !