Chapitre IV – La vitesse de la lumière

I- Histoire de la vitesse de la lumière

 

1) Peut-on mesurer la vitesse de la lumière ?

La vitesse de la lumière est si grande que, pendant très longtemps, on a cru qu’elle se propageait instantanément.

Les premières tentatives pour estimer cette vitesse furent entreprises par Galilée au XVe siècle. Il grimpa au sommet d’une colline avec une lampe, tandis qu’un de ses assistants se tenait sur une colline voisine, muni d’une autre lampe. Galilée devait produire un signal lumineux ; son assistant devait le renvoyer sitôt reçu. En mesurant le temps d’un aller-retour de la lumière, Galilée espérait calculer sa vitesse. Les résultats ne furent pas probants car la distance était trop courte et les instruments de mesure trop peu précis. Galilée n’en conclut pas pour autant que la lumière avait un déplacement instantané. Il pensa plutôt que la vitesse de la lumière était trop grande pour être mesurée.

Un peu plus tard, en 1676, en observant les satellites de Jupiter, Olaüs Römer (1644-1710) montra pour la première fois que la lumière avait une vitesse bien déterminée. Ses connaissances lui permettaient de prévoir avec précision les éclipses de Io, satellite de Jupiter, lors de son passage dans le cône d’ombre de la planète. Par des observations méthodiques, Römer constata, au fil des jours, que les éclipses ne se produisaient pas au moment attendu. la disparition du satellite intervenait avec un décalage variable selon les périodes d’observation. Römer comprit alors que ce décalage dépendait de la distance séparant la Terre et Jupiter et donc du temps que mettait la lumière pour atteindre la Terre. Ce constat lui permit d’affirmer que la lumière ne se propage pas instantanément : la lumière a donc une vitesse. A partir des mesures de Römer, les astronomes de l’époque déterminèrent un ordre de grandeur de la vitesse de la lumière: 212 000 km/s ; ce qui représente une erreur d’environ 30 %.

2) Comment mesure-t-on la vitesse de la lumière ?

En utilisant des techniques plus modernes, des scientifiques de l’observatoire de Paris ont reproduit en 2005 l’expérience de mesure de la vitesse de la lumière réalisée par Hippolyte Fizeau en 1849. Ils ont effectué un tir de laser depuis l’observatoire, en direction de miroirs réflecteurs disposés à Montmartre. Le faisceau de lumière était alors renvoyé vers un détecteur placé à l’observatoire. Un système informatisé mesurait la durée de l’aller-retour de la lumière. Grâce à des mesures par GPS, l’institut Géographique National avait déterminé la distance entre le lieu de tir et les miroirs de Montmartre. En divisant le double de cette distance par la durée d’un aller-retour ( 11 km en 0,0366 s ), les scientifiques ont pu alors calculer la vitesse de la lumière. Ils ont ensuite pu comparer leur résultat avec la valeur déjà connue de la vitesse de la lumière, qui est de 300 000 km/s.

3) La vitesse de la lumière est-elle la même dans tous les milieux transparents ?

Au début du XXe siècle, pour élaborer une théorie sur la nature de la lumière, les physiciens se trouvent confrontés à une question fondamentale : la vitesse de la lumière est-elle plus élevée dans l’eau ou dans l’air ? Ils connaissent déjà la vitesse de la lumière dans l’air, environ 300 000 km/s mais ils ne savent pas comment la mesurer dans l’eau.

En 1838, le physicien français François Arago imagine une expérience qui devrait lui permettre de répondre à la question. Hélas des problèmes de santé (perte de la vue) ne lui permettent pas de la réaliser.

Léon Foucault (1819-1868) reprend les travaux d’Arago et réalise cette expérience en 1850. Il trouve alors que la vitesse de La lumière dans l’eau vaut à peu près les trois quarts de la vitesse de la lumière dans l’air, soit 225 000 km/s.

Il existe d’autres milieux transparents que l’air, le vide et l’eau. Actuellement, on a mesuré la vitesse de la lumière dans tous les corps transparents. C’est dans le vide que la vitesse est la plus grande. Au début du XXe siècle, Albert Einstein, en établissant sa célèbre théorie de la relativité, montrera que cette vitesse de 300 000 km/s est en fait une limite supérieure que rien ne peut dépasser.

4) Comment mesurer des distances avec la lumière ?

Aujourd’hui, on mesure « facilement » la distance Terre-Lune en effectuant des tirs laser sur un réflecteur posé à la surface de la Lune. Un laser émet une impulsion lumineuse depuis la Terre vers un réflecteur posé sur le sol lunaire. Une partie du faisceau lumineux est réfléchie vers la Terre. La mesure de la durée t de son déplacement permet alors de calculer la distance d séparant la Terre et la Lune. La précision est de quelques centimètres .

 

II – Vitesse de la lumière dans les milieux transparents

 

Observation & interprétation :
La lumière se propage dans le vide et dans certains milieux matériels. C’est dans le vide que la vitesse de la lumière est la plus grande.

Conclusion :
La lumière se propage dans les milieux transparents:  sa vitesse de propagation dépend du milieu qu’elle traverse.

 

III –  Mesure d’une distance grâce à la lumière

 

Observation :
En mesurant la durée que met la lumière pour effectuer un aller retour Terre-Lune, on peut calculer la distance entre ce des astres.

Interprétation :
La vitesse s’obtient en faisant le quotient de la distance parcourue d par la durée t du déplacement:

V = d/t

La lumière met 2,56 secondes pour faire un aller-retour Terre-Lune, soit 1,28 seconde pour l’aller et 1,28 secondes pour le retour.
En conséquence, pour calculer la distance Terre-Lune, on fait:
d = v x t = 300 000 x 1,28 = 384 000 km

Conclusion :
Connaissant la durée t du déplacement de la lumière et sa vitesse v, on peut calculer la distance d qu’elle a parcourue en faisant d = v x t .

 

IV –  Mesure d’une distance grâce à la lumière

 

En astronomie, on utilise une unité de longueur adaptée aux très grandes distances: l’année lumière (symbole: a.l.). C’est la distance parcourue par la lumière en une année dans le vide.

1 a.l. = 9500 milliards de kilomètres

On peut ainsi exprimer les distances soit en km, soit en année lumière. L’utilisation des puissances  de dix permet de simplifier l’écriture.

 

 

30 Commentaires

  1. il y a des lecons qui ne sont donnees en forme word. il faut aussi des exercices.

  2. il manque le programme de la classe de sixième. J’en ai besoin.

  3. c’ est très bien expliquer

  4. c’est très bien expliquer merci

  5. Bonjour,

    Merci d’avoir inventé ce site mais c’est très bien expliquer pour une fille de 4ème comme moi!!!
    Je voudrais dire un petit mot: J’adore les framboises!!!
    La fille qui porte le de MLLE FRAMBOISES je la mangerais bien!!!
    Évidement, c’est une blague!!! Je ne suis pas cannibale!!!
    MERCI BEAUCOUP POUR CE SITE!!!

  6. Je vous remercie infiniment, j’ai enfin réussi, à trouver un site qui répondrais à mes attentes! J’ai un devoir maison en physique et toutes ces informations m’ont bien aider surtout « comment calculer la distance Terre-Lune » je cherchais cette information tant bien que mal, je suis tombée à la bonne porte ! 😉 Cette mesure est-elle précise, pourquoi? Si vous voulez bien m’aider 😉
    Merci à vous.
    Cordialement.

  7. Je vous remercie infiniment, j’ai enfin réussi, à trouver un site qui répondrais à mes attentes! J’ai un devoir maison en physique et toutes ces informations m’ont bien aider surtout « comment calculer la distance Terre-Lune » je cherchais cette information tant bien que mal, je suis tombée à la bonne porte ! 😉 Cette mesure est-elle précise, pourquoi? Si vous voulez bien m’aider 😉
    Merci à vous.
    Cordialement.

    • Cette mesure est très précise car elle se fait à l’aide de rayons laser. Un rayon dont on connait parfaitement la vitesse v (la vitesse de la lumière) est envoyé vers la Lune et il se réfléchit sur des miroirs placés sur la Lune. On mesure alors le temps t que met cette impulsion laser à revenir avec une horloge très précise.
      On sait que le rayon a fait deux fois la distance Terre Lune donc on calcule la distance Terre-Lune de la manière suivante :
      Distance Terre-Lune = (v x t) /2

      Comme on connaît très précisément v et t, alors la distance calculée est très précise….

  8. C’est encore moi! Excuser moi! 🙂 La relation mathématique entre la vitesse « v », la distance « d » et le temps « t » c’est : v= d/t ?
    Merci à vous! :p

  9. merci c est super je suis en 4 eme et j ai un contrOLE!!! Sa mas beaucoup aider!!!
    bizz! merci encore!!
    🙂

  10. Miaou j’ai un exposé sur la vitesse de la lumière dans le cinéma
    S.V.P est-ce-que vous pouvez m’aider?

  11. Si la vitesse de la lumière varie selon le milieu qu’elle traverse, alors pour les 600 premiers kilomètres (avant d’arriver dans l’exosphère), la lumière doit se propager moins vite car on n’est pas encore dans le vide. Ca doit faire varier très légèrement le résultat.

  12. durée terre lune avec la vitesse de la lumiere

  13. Oui Grumly tu as raison mais la vitesse de la lumière dans l’air est très proche de la vitesse de la lumière dans le vide (au centième près). Donc sans prendre cette donnée en compte, la mesure de la distance Terre – Lune sera très précise (incertitude du même ordre de grandeur sur ton résultat).

  14. J’ai une question combien fait la distance parcourue par la lumière en 4,3 années

  15. Ce site est formidable

  16. Ce site est formidable .merci

  17. ben c'est cool!

    ►JE VOUS RAPPÉLLE QUE JE SUIS EN CM2!!!

  18. j'ai un problème svp c'est urgent !!!

    J'ai un dm en physique et on me demande la distanc terre – lune par la lumière et on me dit dans mon dm que sa fait 2.38 s !!! comment je fait pour calculer la distance terre – lune svp.

    merci a vous!!!

  19. Je ne comprends pas ca se finit comme ca le chapitre sur la vitesse de la lumière?

     

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