Chapitre 4 : la vitesse de la lumière

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Chapitre 4 : la vitesse de la lumière

1/ La lumière a-t-elle une vitesse ?

Nom du physicien ^{naissance Dates de}

et de mort Travail et découverte Date

Alhazen 965 - 1039 En observant un bâton cassé dans l’eau, il a l’intuition d’une vitesse de

la lumière finie. 1021

Copernic 1473 – 1543 Il prouve que les planètes tournent autour du soleil. 1512 Galilée 1564 – 1642 Il est le 1^er à tenter de mesure la vitesse de la lumière mais n’y arrive

pas. 1600

Képler 1571 – 1643 Il travaille sur les planètes du Système Solaire et établit les célèbres

« lois de Kepler ». 1609

Cassini 1625 – 1712 Il détermine les jours et horaires des éclipses de Io et les classe dans

des tables. 1668

Roemer

1644 – 1710 Il prouve que la lumière a une vitesse finie pour expliquer les retards

observés dans les tables des Cassini. 1676 Bradley 1693 – 1762 Il donne la 1^ère estimation de la vitesse de la lumière à partir des

travaux de Roëmer. 1727

Fizeau 1786 – 1853 Directeur de l’observatoire de Paris, il a le projet de mesurer la vitesse

de la lumière sur Terre. 1843

Rappel sur les puissance de 10:

 10ⁿ : 1 suivi de n zéro. Exemple : 10⁵ = 100 000.

 10^-n : 1 précédé de n zéro en comptant celui avant la virgule  10^-5 = 0,00001

 Notation scientifique : 168 000 = 1,68 x 10⁵ ; 0,000168 = 1,68 x 10^-4

 La lumière ne se déplace pas instantanément durée pour aller d’un point à un autre.

 La vitesse de la lumière ou (célérité de la lumière) dans le vide et dans l’air vaut 300 000 km/s ou 3x10

m/s. (en comparaison, la vitesse du son est de 340 m/s)

 Cette vitesse est la plus grande vitesse possible. Aucun objet dans l’univers ne peut se déplacer plus rapidement.

Dans d’autres milieux transparents, la vitesse est plus faible :

Milieu Vitesse de la lumière dans ce milieu

Eau

Verre

Quartz

diamant

2/ Peut-on mesurer des distances grâce à la lumière ?

v = d

t ou d = v ^x t ou t = d

v

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie Unités :

Rappel : 1 m/s = 0,001 km/s = 3,6 km/h 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 ce jour-ci au mètre près ? On prendra comme valeur de la vitesse de propagation de la lumière v = 300 000 km/s.



Durée d’un aller : t = 1,28 s



d = v x t = 300 000 x 1,28 = 384 000 km

3/ Application en astronomie : L’année de lumière, c’est quoi ? 1/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 1 seconde ?

d = v x t = 300 000 x 1 = 300 000 km.

2/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 8 minutes ? (durée que met la lumière pour arriver du Soleil) d = v x t = 300 000 x 8 x 60 = 144 000 000 km = 1,44 x 10⁸ km

3/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 2,66 heures ? (distance Uranus-Soleil) d = v x t = 300 000 x 2,66 x 3660 = 2,87 x 10⁹ km

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)

d = v x t = 300 000 x 24 x 3600 = 2,59 x 10¹⁰ km

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) Nombre de seconde en 1 an : 1 an = 365,25 x 24 x 3600 = 31 557 600 s

d = v x t = 300 000 x 4,22 x 31 557 600 = 4,00 x 10¹³ km

6/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 2 000 000 d’année ? (distance entre notre Galaxie la Voix Lactée et la Galaxie d’Andromède (la plus proche).

d = v x t = 300 000 x 2 000 000 x 31 557 600 = 1,89 x 10¹⁹ km Et il existe des centaines de milliards de galaxies dans l’Univers…

Les physiciens ont donc inventé une unité adaptée pour mesurer les distances gigantesques de l’univers :

L’année de lumière : C’est la distance parcourue par la lumière dans le vide en un an . Elle vaut 10

km ou 10

m ou 10 000 milliards de kilomètres environ.

Calcul précis  1 a.l = 365,25 x 24 x 60 x 60 x 300 000 = 9,46 x 10

km

En conséquence, quand on regarde loin dans l’espace, on regarde dans le passé.

v en km/s d en km t en s

v en m/s d en m t en s

OU