Chapitre 3 : la vitesse de la lumière 1/ La lumière a-t-elle une vitesse? Voir vidéo : «Histoire de la mesure de la vitesse de la lumière» Nom du physicien Dates de naissance et de mort Travail et découverte Date 965-1039 En observant un bâton cassé dans l eau, il a l intuition d une vitesse de la lumière finie. 1021 1473 1543 Il prouve que les planètes tournent autour du soleil. 1512 1564 1642 Il est le 1 er à tenter de mesure la vitesse de la lumière mais n y arrive pas. 1600 1571 1643 Il travaille sur les planètes du Système Solaire et établit les célèbres «lois de Kepler». 1609 1625 1712 Il détermine les jours et horaires des éclipses de Io et les classe dans des tables. 1668 1644 1710 Il prouve que la lumière a une vitesse finie pour expliquer les retards observés dans les tables des Cassini. 1676 1693 1762 Il donne la 1 ère estimation de la vitesse de la lumière à partir des travaux de Roemer. 1727 Rappel sur les puissance de 10: 10 n : Un «1» suivi de n zéros 10 5 = 10 -n : le «1» est en n ième position après la virgule 10-5 = Notation scientifique : 168 000 = 0,000168 = Dans d autres milieux transparents, la vitesse est plus faible : Milieu Eau Verre Quartz diamant Vitesse de la lumière dans ce milieu Une conséquence de la vitesse de la lumière plus faible 2/ Peut-on mesurer des distances grâce à la lumière?
Applications : En 1969, Armstrong et Aldrin ont déposé un miroir réflecteur de rayons LASER sur la Lune. Depuis la Terre, on vise ce réflecteur avec un LASER et on peut déterminer avec précision le temps mis par la lumière pour faire l'aller-retour Terre-Lune. Une de ces mesures a donné t = 2,56 s. Quelle était la distance Terre-Lune à ce moment-là? On prendra comme valeur de la vitesse de propagation de la lumière v = 300 000 km/s. 3/ Application en astronomie : L année de lumière, c est quoi? 1/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 1 seconde? 2/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 8 minutes? (durée que met la lumière pour arriver du Soleil) 3/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 2,66 heures? (distance Uranus-Soleil) 4/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 1 journée? (distance soleil espace intergalactique. La sonde Voyager 1, partie en 1973, est environ à cette distance) 5/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 4,22 ans? (distance entre le soleil et l étoile la plus proche : Proxima du Centaure) 6/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 2 000 000 d années? (distance entre notre Galaxie la Voix Lactée et la Galaxie d Andromède (la plus proche). Et il existe des centaines de milliards de galaxies dans l Univers très espacées les unes des autres. Les physiciens ont donc inventé une unité adaptée pour mesurer les distances gigantesques de l univers :. En conséquence, quand on regarde loin dans l espace, on regarde dans le passé.
Exercices : 1/ La lune est à 380 000 km de la Terre. Combien de temps met la lumière pour parcourir cette distance? 2/ Le soleil est à 150 millions de km de la Terre. Combien de temps met la lumière pour parcourir cett distance. 3/ La lumière met 4.2 années pour arriver de l étoile la plus proche : proxima du Centaure. A quelle distance se situe cette étoile. 4/ Combien de temps met la lumière pour parcourir la distance Paris-Marseille (800 km)? 5/ La galaxie la plus proche se situe à 1.6 x 10 18 km de la Terre. Combien de temps met la lumière pour parcourir cette distance. Que se passe-t-il pendant ce temps-là. 6/ Calcule le temps mis par la lumière pour aller de la Terre à Jupiter. Déduis en la distance entre la Terre et Jupiter. Cette distance est-elle constante? Exercices n 11 et 18 et 12 p 202 et 203.
Exercice n 1 (niveau débutant) Enoncé : 1) Pourquoi, lors d un orage, voit-on l éclair avant de percevoir le son du coup de tonnerre? 2) Je veux mesurer chez moi la vitesse de la lumière dans l air. Pour cela je chronomètre le temps que je mets pour percevoir la lumière d une lampe une fois que j ai fermé l interrupteur. Que pensez-vous de cette méthode? 3) Donner la vitesse de la lumière dans le vide en m/s. 4) Convertir cette vitesse en km/h. 5) Comparer cette vitesse avec celle d une fusée (10 km/s environ). 6) A quoi correspond une année lumière? Exercice n 2 (niveau confirmé) Enoncé :
1) En 1675, Ole Römer, astronome danois, observe les satellites de Jupiter. Il constate que les levers observés de Io n ont pas toujours lieu aux heures prévues par les tables établies par l astronome Cassini. A l aide du schéma ci-dessus, tentez de donner une explication. 2) Par le calcul, il établit la vitesse de la lumière à 220 000 km/s. Que pensez-vous de cette valeur? 3) Quelle distance fallait-il connaître pour calculer la vitesse de la lumière? 4) En 1850, Foucault montre que la lumière se propage moins vite dans l eau que dans l air. Ainsi on sait que dans l'eau, la vitesse de la lumière correspond à 75 % de c (c étant la célérité de la lumière dans le vide). Calculer la vitesse de la lumière dans l eau. Exercice n 3 (niveau expert) Enoncé : 1) Aujourd hui, on connaît très précisément la valeur de c. Elle est de 299 792 458 m/s La connaissance de la vitesse de la lumière a permis de calculer précisément la valeur de la distance Terre-Lune. On émet un rayon laser depuis la Terre, la Lune le renvoie, et on mesure le temps que met le rayon pour revenir. Sachant que cette durée est d environ 2,5 s, donner une valeur approximative de la distance Terre-Lune. 2) Une année lumière correspond à la distance parcourue par la lumière en une année. Donner la valeur de cette distance. 3) Quel est l intérêt d avoir introduit cette distance en astronomie? 4) La plus proche étoile est Proxima du Centaure située à un peu plus de 4 années lumière. Si on pouvait voyager au dixième de la vitesse de la lumière, on pourrait facilement visiter toutes les planètes du système Solaire. Mais combien de temps durerait alors, le voyage vers cette étoile?