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 naissance Dates de
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 1er 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 1ère estimation de la vitesse de la lumière à partir des
travaux de Roemer. 1727
Rappel sur les puissance de 10:
10n : Un « 1 » suivi de n zéros 105 =
10-n : le « 1 » est en nième position après la virgule 10-5 =
Notation scientifique : 168 000 = 0,000168 =
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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 ?
Une conséquence de la vitesse de la lumière
plus faible
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 ?
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2/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 8 minutes ? (durée que met la lumière pour arriver du Soleil)
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3/ Quelle distance est parcourue par la lumière en 2,66 heures ? (distance Uranus-Soleil)
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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)
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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)
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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).
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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 :
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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 1018 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 ?
