Aurélie 08/03

perception humaine de la lumière et du son




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Le but de cet exercice est d'aborder quelques aspects de la perception des ondes sonores et lumineuses par le corps humain. Des documents relatifs à notre source lumineuse principale (le Soleil) et à nos organes de perception (l'oreille et l'œil) seront exploités.

Données : célérité de la lumière dans le vide : c = 3,0.108 m.s-1 ; célérité du son dans l'air : v = 340 m.s-1 ; la valeur d'une température en kelvin est liée à sa valeur en degré Celsius par : TK = T°C + 273.

  1. Comparaison son-lumière
    - Citer deux caractéristiques communes à la propagation des ondes sonores ou lumineuses dans un milieu homogène.
    - En indiquant sommairement la nature d'une onde lumineuse et celle d'une onde acoustique, expliquer pourquoi un son ne se propage pas dans le vide.
  2. Sensibilité de l'œil
    -Document 1 : La courbe de visibilité de l'œil

    L'œil ne présente pas la même sensibilité dans toutes les longueurs d'onde. Une étude statistique a permis de déterminer la sensibilité spectrale moyenne de l'œil humain. La courbe obtenue, appelée courbe de visibilité, est graduée en abscisse avec les valeurs des longueurs d'onde dans le vide.
    - Quelle est la signification du terme " chromatique " apparaissant dans le titre de la courbe ?
    - A partir de cette courbe, déterminer les limites des longueurs d'onde dans le vide du spectre visible en précisant à quelles couleurs respectives elles correspondent. En déduire les limites des fréquences du spectre visible.
    - Quelle relation doit-il y avoir entre la luminosité L1 d'une source monochromatique jaune-verdâtre de longueur d'onde l1 = 560 nm et la luminosité L2 d'une source de longueur d'onde l2 = 660 nm pour qu'elles soient perçues avec la même intensité ?

  3. Spectre solaire : un corps chaud émet un spectre lumineux continu. Plus la température T de ce corps est élevée, plus il émet de lumière dans les courtes longueurs d'ondes. La loi de Wien rend compte de ce phénomène : lm.T = 2,9.10-3 m.K dans laquelle lm représente la longueur d'onde qui correspond au rayonnement le plus intense dans le spectre. Le Soleil est un corps chaud régit par cette loi. Son spectre simplifié est le suivant :

    - A partir de cette courbe, nommer les deux types de rayonnements invisibles émis par le Soleil en indiquant leurs domaines respectifs de longueurs d'onde ?

    - A quelle partie particulière du spectre solaire correspond le spectre visible ? Comment serait probablement la courbe de visibilité de l'œil humain si notre étoile avait été moins chaude ?

    - Déterminer la valeur de la température de surface du Soleil.

  4. Sons audibles : Notre oreille n'est sensible qu'aux sons de fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz.
    - Comment qualifient-on les sons audibles de faible fréquence ? de haute fréquence ?
    - Par analogie avec la lumière, comment nomme-t-on les sons de fréquence supérieure à 20 kHz et les sons de fréquence inférieure à 20 Hz ?
    - Déterminer les limites des longueurs d'onde des sons audibles dans l'air.
  5. La localisation des sons
    Document 3 : Quels sont les indices de la localisation des sons chez l'homme?
    Un son émis par une source est perçu différemment par nos deux oreilles : la vibration arrive sur nos deux tympans avec un décalage temporel et une différence d'amplitude. Plus la position de la source sonore est latérale et plus ces différences seront importantes : notre système auditif ne nous permet pas de distinguer des retards inférieurs à 70 microsecondes. La localisation des sons fait également intervenir un processus plus complexe : la modification spectrale du son résultant des réflexions et de la diffraction provoquées par le pavillon et le canal auditif. Ce sont ces tous ces indices cumulés qui permettent à notre système auditif de localiser une source sonore.
    - Calculer la plus petite différence de trajet entre la source sonore et chacune de nos deux oreilles qui soit détectable par notre système auditif.

 




corrigé
Dans un milieu homogène, la propagation des ondes lumineuses et sonores est rectiligne et uniforme (à vitesse constante).

La lumière est une onde électromagnétique (champs électrique et magnétique se propageant) ne nécessitant pas de milieu matériel pour se propager. Au contraire, le son est une onde mécanique : c'est à dire la propagation d'une déformation du milieu matériel. Le son ne peut donc pas se propager dans le vide.

Sensibilité de l'œil.

Chaque longueur d'onde correspond à une couleur précise dans le spectre continu de la lumière, d'où le terme chromatique signifiant " qui se rapporte aux couleurs "

spectre visible : (violet) 380 nm <l < 780 nm (rouge) ;

(violet) 7,90.1014 Hz > n =c/l > 3,85.1014 Hz (rouge)

L2 = 10 L1

car l'œil est 10 fois plus sensible à la radiation de longueur l 1 = 560 nm qu'à la radiation de longueur d'onde l 2 = 660 nm.

Spectre solaire

Le soleil émet :

- des radiations visibles (0,38 µm <l< 0,78 µm)

- des ultraviolets (l < 0,38 µm) et des infrarouges (l > 0,78 µm)

Le spectre visible correspond au domaine des radiations émises le plus intensément par le soleil. Si notre soleil avait été moins chaud, on peut supposer que la courbe de visibilité de notre œil aurait été déplacée vers les longueurs d'onde plus grande pour coïncider avec la zone de plus forte émission de notre étoile.

Sur la courbe, on lit : l m = 0,5 µm = 0,5.10-6 m.

En utilisant la loi de Wien, on obtient : T = 2,9.10-3/ l m = 5800 K environ 5500 °C

Sons audibles :

Les sons audibles de faible fréquence sont les sons graves et ceux de haute fréquence sont les aigus.

Fréquence > 20 kHz : ultrasons.

Fréquence < 20 Hz : infrasons.

Sons audibles dans l'air : 20 Hz < f < 20 kHz donc 17 m >n =c/l > 17 mm.

La localisation des sons

Le retard minimal détectable est t = 70 µs donc la différence de trajet correspondant est d = v.t = 24 mm. 



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