Sur les traces de Galilée Compte-rendu réalisé par : BENMICIA Céline, COUPEZ Mathilde, DEWULF Axel, HAUSTRATE Corentin, HENIART Nicolas, HOUDE Victorien, LEOTARD Hugo, LONGATTE Marc, POULET Nolan, TUNCA Hacer, YILDIRIM Deniz et ZEMZAMI Amin encadrés par M. BOULANGER Julien, Professeur de Sciences-Physiques et avec l expertise scientifique de M. PORTOIS Laurent, Président de l Association Saint-Quentin Astronomie.
Quelles étaient les différentes visions de l Univers au temps de Galilée? Le Géocentrisme Cette vision de l univers date de l antiquité. Ce sont les savants Aristote et Ptolémée qui l ont proposée. Nom : Aristote Nationalité : Grecque Date et lieu de naissance : 384 avant J.C. à Stagire Date et lieu de mort : 322 avant J.C. à Chalcis Profession, domaine de travail : Philosophe et scientifique Nom : Ptolémée Prénom : Claude Nationalité : Egyptienne Date et lieu de naissance : Vers 90 en Haute - Egypte Date et lieu de mort : Vers 168 à Canope Profession, domaine de travail : Astronome et astrologue La Terre se trouve immobile au centre de l Univers, il y a la Lune, Mercure, Vénus, le Soleil, Mars, Jupiter, Saturne et enfin la sphère des étoiles fixes. La Lune, Mercure, Venus, le Soleil, Mars, Jupiter et Saturne tournent autour de la Terre en suivant des trajectoires circulaires. L'Univers est divisé en deux parties très différentes : le monde terrestre, imparfait et soumis au changement et à l'altération et le monde des cieux, parfait et immuable. Les astres les plus éloignés (les étoiles fixes), sont les plus parfaits, ils ne se déplacent pas.
L héliocentrisme Cette vision de l Univers est proposée par Nicolas Copernic. Nom : Copernic Prénom : Nicolas Nationalité : Polonais Date et lieu de naissance : 19 Février 1473 à Torun (Prusse royale, Royaume du Pologne) Date et lieu de mort : 24 Mai 1543 à Frombork Profession, domaine de travail : Chanoine, médecin et astronome. Au centre se trouve le Soleil qui est fixe. Puis il y a Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne qui tournent autour du Soleil en suivant des trajectoires circulaires. La Terre est accompagnée dans son mouvement autour du Soleil par la Lune. La Terre est une simple planète parmi les autres. Tout le système est enfermé dans la sphère des étoiles fixes. Le système géo-héliocentrique Ce système de l Univers est proposé par Tycho Brahé. Nom : Brahé Prénom : Tycho Nationalité : Danois Date et lieu de naissance : 14 Décembre 1546 à Knutstorp (Suède) Date et lieu de mort : 24 Octobre 1601 à Prague Profession, domaine de travail : Astronome
Il propose ce nouveau système après avoir fait deux observations : - l'apparition d'une nouvelle étoile, une supernova située bien au-delà de la sphère de Saturne ; - l apparition d une comète qu il situe au-delà de la Lune. Ces deux observations contredisent le système d Aristote : le monde des cieux n est pas immuable. Mais Tycho Brahé ne croit pas non plus au système de Copernic et il imagine un autre système de l Univers : La Terre est immobile au centre de la sphère des étoiles fixes. La Lune et le Soleil tournent autour de la Terre en suivant des trajectoires circulaires. Les planètes Mercure, Venus, Mars, Jupiter et Saturne tournent autour du Soleil. Galileo Galilei, dit Galilée Nom : Galilée Nationalité : Italienne Date et lieu de naissance : 15 février 1564 à Pise Date et lieu de mort : 8 janvier 1642 Arcetri Profession, domaine de travail : Astronome, mathématicien, géomètre et physicien A l époque de Galilée, la plupart des gens croient à la vision géocentrique de l Univers car c est ce système qui est reconnu par l Eglise. Galilée est le premier astronome à utiliser une lunette pour observer le ciel. Ses observations vont changer la vision de l Univers de l époque.
De quels éléments la lunette de Galilée est-elle constituée? En mars 1610, Galilée publie un livre d'astronomie intitulé «Le Messager des étoiles». Ce livre contient les résultats des premières observations que Galilée a fait avec sa lunette. Extrait du «Messager des étoiles» : «Il y a environ dix mois, le bruit parvint à nos oreilles qu'un certain belge avait fabriqué une lunette grâce à laquelle des objets, même très éloignés de 1'observateur, pouvaient être nettement distingués comme s'ils étaient proches. Plusieurs expériences étaient rapportées de cette admirable propriété en laquelle certains croyaient et d'autres pas [ ]. Ceci me poussa finalement à tenter de rechercher une explication de ce phénomène et donc à trouver les moyens de fabriquer une lunette semblable. Je l'ai réalisée peu de temps après en m'appuyant sur la théorie des réfractions. J'utilisais d'abord un tube de plomb auquel je fixais aux deux extrémités deux lentilles de verre. Elles étaient toutes les deux planes d'un côté et convexe pour l'une, concave pour la seconde. En regardant du côté de la lentille concave, je vis les objets assez grands et proches [ ]. Exposer en détail le nombre et 1'importance des avantages offerts par cet appareil, tant sur terre que sur mer serait ici tout à fait superflu. Délaissant les affaires de la Terre, je me consacrai à l'étude de celles du Ciel. Je vis d'abord la Lune d'aussi près que si elle était à peine éloignée de deux rayons terrestres. Après cela j'observai très souvent les étoiles, tant fixes qu'errantes, avec un incroyable ravissement. Tandis que j'en observais un très grand nombre, je me mis à réfléchir à la façon dont je pourrais mesurer les distances qui les séparaient, et je finis par la trouver. Il est important ici d'avertir ceux qui voudraient faire de telles observations. Il est en premier nécessaire qu'ils se procurent une bonne lunette qui montre les objets avec tout leur éclat, distinctement, sans aucun obscurcissement, et qui les agrandisse au moins quatre cents fois : dans ces conditions la lunette les rapprochera vingt fois. Mais si l'instrument n'a pas ces performances, il sera impossible de voir tout ce que nous avons observé dans le ciel et qui sera décrit plus loin. Pour déterminer sans grande difficulté le pouvoir grossissant de l'instrument, il faudra fabriquer deux cercles, ou deux carrés, de papier, dont l'un soit quatre cents fois plus grand que l'autre, ce qui sera le cas si le diamètre du plus grand est vingt fois celui de l'autre. Il faudra ensuite observer de loin en même temps les deux surfaces fixées sur un mur, la plus petite à travers la lunette, et la plus grande à l'œil nu : pour cela il faut réaliser l'observation avec les deux yeux ouverts en même temps. Si les deux figures apparaissent de grandeur identique, l'appareil agrandit les objets dans la proportion souhaitée.» Galilée n a pas inventé la lunette mais c est lui qui a eu l idée d observer le ciel avec. La lunette qu il utilise est constituée de trois éléments : un tube de plomb, une lentille convexe (ou convergente) et une lentille concave (ou divergente). L œil de l observateur doit être placé du côté de la lentille divergente. Pour pouvoir observer les astres comme Galilée, la lunette doit rapprocher les objets 20 fois (elle doit avoir un grossissement de 20).
Qu est-ce qu une lentille? Quelles sont les différentes sortes de lentilles? Qu est-ce qu une lentille? Nous avons réalisé une expérience pour tenter de réaliser une lentille liquide. Nous avons introduit 30 ml d eau avec une éprouvette graduée dans un bécher puis 3 ml d huile à l aide d une pipette. Une couche d huile aux parois parallèles se forme sur l eau : Quand on regarde un texte au travers de ce mélange, il ne subit pas de transformation : Ensuite, nous avons ajouté 40 ml d alcool à brûler. Une goutte d huile demi-sphérique se forme : Quand on regarde un texte au travers de cette goutte, le texte grossit : Une lentille est un bloc de matière transparente délimité par au moins une surface courbe. Existe-t-il différentes sortes de lentilles? Nous avons manipulé deux lentilles différentes L 1 et L 2 : Qu observe-t-on quand on fait glisser le doigt sur la surface de la lentille? Qu observe-t-on quand on observe un texte au travers de la lentille? L 1 La lentille a les bords minces La lentille grossit le texte L 2 La lentille a les bords épais La lentille rétrécit le texte Qu observe-t-on quand on fait passer des rayons lumineux au travers de la lentille? La lentille concentre les rayons lumineux La lentille disperse les rayons lumineux
Il existe deux sortes de lentilles : les lentilles convergentes et les lentilles divergentes Les lentilles convergentes : elles ont des bords minces (symbole : ), elles concentrent la lumière et un objet vu au travers parait plus gros. Les lentilles divergentes : elles ont des bords épais (symbole : ), elles dispersent la lumière et un objet vu au travers parait plus petit. Existe-t-il différentes sortes de lentilles convergentes? Comme Tintin, nous avons essayé d enflammer un petit morceau de papier grâce au Soleil et à 3 lentilles convergentes L 1, L 3 et L 4. Nous avons noté la distance entre la lentille et le morceau de papier au moment ou celui-ci s enflamme : Lentilles L 1 L 3 L 4 Distance lentille-papier 5,5 cm 82 cm 11 cm Le papier s enflamme quand il est placé exactement au point ou la lentille convergente concentre la lumière du Soleil. Ce point est appelé le foyer (noté F). Toutes les lentilles convergentes ne concentrent pas les rayons lumineux de la même façon. La distance entre le centre de la lentille O et le foyer F s appelle la distance focale de la lentille (notée f).
Différentes sortes de lentilles divergentes Il existe différentes sortes de lentilles divergentes également : le foyer F correspond au point de convergence du prolongement des rayons déviés par la lentille. Il se trouve donc «en avant» de la lentille, c est pourquoi la distance focale f d une lentille divergente est comptée négativement.
Comment construire une lunette de Galilée? Comment associer les deux lentilles? Nous avons utilisé une lentille convergente (de distance focale f 1 = 50 cm) et une lentille divergente (de distance focale f 2 = -5 cm). Nous avons positionné les lentilles côte à côte sur un banc d optique et nous avons visé un objet éloigné à travers les 2 lentilles. Nous avons déplacé la lentille convergente jusqu à obtenir une image nette de l objet visé. Nous avons mesuré la distance entre les deux lentilles et nous avons trouvé 44,4 cm Nous avons remarqué que cette distance est très proche du résultat f 1 + f 2 = 50 5 = 45 cm. Pour construire une lunette de Galilée, il faut placer les deux lentilles à une distance voisine de la somme des distances focales des deux lentilles. Construction d une première lunette de Galilée Nous avons utilisé 2 tuyaux en PVC (un de diamètre 4 cm et l autre de diamètre 3,2 cm), une lentille convergente (de distance focale f 1 = 50 cm) et une lentille divergente (de distance focale f 2 = -5 cm). Pour savoir si notre lunette grossit 20 fois comme celle de Galilée nous avons fait l expérience qu il décrit dans son livre «Le messager des étoiles» : Nous avons tracé deux carrés : un petit de 1 cm de côté et un grand de 20 cm de côté. Nous les avons fixés sur un mur et nous avons observé le petit carré au travers de la lunette et, en même temps, le grand carré avec l autre œil. Comme on voit le petit carré plus petit que le grand, notre lunette ne grossit pas comme celle de Galilée Nous avons trouvé une formule pour déterminer le grossissement d une lunette : Il faut faire l opération f 1 f 2 = 50 5 = 10 Donc, d après la formule notre lunette grossit 10 fois. Nous avons voulu vérifier en reprenant l expérience décrite par Galilée. Nous avons donc fixé sur un mur un petit carré de 1 cm de côté et un grand carré de 10 cm de côté. Nous avons observé le petit carré au travers de la lunette et, en même temps, le grand carré avec l autre œil. Comme on voit le petit carré aussi grand que le grand carré, notre lunette grossit 10 fois.
Construction d une lunette semblable à celle de Galilée Nous avons utilisé 3 tuyaux en PVC (un de diamètre 8 cm, un autre de diamètre 5 cm et le dernier de diamètre 4 cm), un manchon de raccordement de diamètre 8 cm, un manchon de réduction 8/5 cm, un manchon de réduction 5/4 cm, une lentille convergente (de distance focale f 1 = 100 cm) et une lentille divergente (de distance focale f 2 = -5 cm). f 1 f 2 = 100 5 = 20 D après la formule, cette lunette grossit 20 fois. Nous avons voulu le vérifier en reprenant l expérience décrite par Galilée. Nous avons donc fixé sur un mur un petit carré de 1 cm de côté et un grand carré de 20 cm de côté. Nous avons observé le petit carré au travers de la lunette et, en même temps, le grand carré avec l autre œil. Comme on voit le petit carré aussi grand que le grand carré, notre lunette grossit 20 fois. Nous avons construit une lunette qui grossit comme celle que Galilée a utilisée pour faire ses observations. Les défauts de la lunette Nous avons observé un carré vert au travers de cette lunette : L image du carré vert est floue sur les bords et de couleur jaune. Ce défaut s appelle «une aberration chromatique». Pour comprendre ce phénomène, nous avons fait passer de la lumière blanche au travers d un prisme de verre : Lorsqu elle traverse le prisme, la lumière est déviée vers sa base et elle se décompose en plusieurs bandes de lumières colorées. On peut distinguer 6 lumières colorées différentes (rouge, orange, jaune, vert, bleue, violet) mais en réalité, il y a une infinité de couleur car on passe très progressivement de l une a l autre. Les lumières colorées ne sont pas toutes déviées de la même façon : la lumière rouge est la moins déviée, la lumière violet est la plus déviée.
On peut observer ce phénomène avec des lentilles. En faisant passer de la lumière à travers une lentille avec la partie centrale cachée par un disque noir, on observe la figure suivante sur un écran placé derrière la lentille : Les lentilles se comportent un peu comme des prismes : les rayons lumineux qui les traversent ne sont pas déviés de la même façon en fonction de leur couleur. Ils ne convergent donc pas tous exactement au foyer de lentilles. C est la cause des aberrations chromatiques. De nos jours, les astronomes préfèrent utiliser des télescopes qui fonctionnent avec des miroirs et qui ne produisent donc pas d'aberration chromatique.
Quelles observations ont permis à Galilée de changer la vision de l Univers? L observation des taches solaires Photo prise par projection le 28/02/2017 avec la lunette fabriquée. Photo prise le 24/01/2017 avec le matériel prêté par «Sciences à l école». On observe qu en quelques semaines les taches solaires présentes à la surface du Soleil ont changé. Le monde céleste n est pas immuable (comme le dit la vision géocentrique). Il connaît des changements, des évolutions. La surface de la Lune Photo extraite d une vidéo réalisée le 13/12/2016 avec le télescope du collège La Lune est à l image de la Terre, sa surface n est pas parfaite, elle présente des cratères et des montagnes.
Les phases de Vénus Nous avons réalisé 2 maquettes : la première représente la trajectoire de Vénus dans le système géocentrique. La deuxième représente la trajectoire de Vénus dans le système héliocentrique. Grâce à ces maquettes nous avons pu déterminer les phases de Vénus vues de la Terre dans ses différentes positions : Dans le système géocentrique, cela donne : Dans le système héliocentrique, cela donne :
Nous avons pu observer Vénus en phase gibbeuse : Photo prise le 13/12/2016 avec le matériel prêté par «Sciences à l école». Vénus ne peut pas montrer une phase gibbeuse dans le système géocentrique. Or, nous avons pu l observer donc le système géocentrique est impossible. Elle peut par contre être observée ainsi dans le système héliocentrique (position 7-8 sur notre maquette). Les satellites de Jupiter Photo extraite d une vidéo prise le 13/12/2016 avec le télescope du collège. On observe Jupiter et 3 de ses satellites La Terre n est pas la seule planète à avoir des astres qui lui tournent autour : Jupiter aussi (il a 4 satellites). Dans le système solaire, la Terre est donc une planète comme les autres, comme le dit le système héliocentrique.
Conclusion Au cours de ce travail, nous avons essayé de refaire les travaux d astronomie du savant italien Galilée : nous avons construit une lunette semblable à celle qu il a utilisée au début du XVII ème siècle et nous avons essayé de refaire ses observations. Elles lui avaient permis de montrer que le système géocentrique (qui était la vision de l Univers la plus répandue à l époque) était impossible. Le système héliocentrique de Copernic correspondait beaucoup mieux à ses observations. Cela a été très difficile pour nous avec la lunette fabriquée à cause de ses défauts et de son faible grossissement. Nous avons quand même réussi à observer des tâches solaires par projection. Nous avons pu faire quand même les observations et prendre des photos avec du matériel plus moderne prêté par «Science à l école».