La mesure de la célérité (vitesse) de la lumière

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1 La mesure de la célérité (vitesse) de la lumière
C quoi ? La mesure de la célérité (vitesse) de la lumière

2 Pourquoi le mot célérité ?
Dans la vie quotidienne, le mot célérité (certes peu employé) indique une grande rapidité d’exécution. En physique le mot est employé de préférence à vitesse pour la propagation d’une vibration non matérielle : la lumière se propage dans le vide à la différence du son C’est l’origine de l’abréviation c qui figure dans de nombreuses relations de physique telles que la relation d’EINSTEIN : E=M.C2

3 Le premier essai de mesure
Au XVIIe siècle, en 1610, deux savants, l’italien Galilée et le français Descartes, avaient chacun une théorie sur la question. Descartes soutenait que la propagation de la lumière était instantanée et que sa vitesse était infinie. Galilée, lui, avançait que l’on pouvait calculer sa vitesse..

4 Le premier essai de mesure (2)
Vers 1600, Galilée tente de mesurer la vitesse de la lumière en utilisant des lanternes et des cache-lumière. Il demande à son assistant de se placer à trois kilomètres de lui, sur le sommet d’une colline et d’allumer une lanterne. Galilée tente alors le calcul en divisant la distance totale par le temps de réception du signal lumineux. Mais le calcul était impossible, la distance étant trop courte et la lumière arrivant trop vite ! Les mesures sont sans succès, mais l'idée est là : «Si la propagation n'est pas instantanée, elle est extraordinairement rapide » (Galilée).

5 Première mesure dans l'espace
En 1676, Römer observe des irrégularités dans la reproduction des occultations des satellites de Jupiter (les satellites passent derrière la planète géante et ne sont plus visibles depuis la Terre.)

6 Première mesure dans l'espace (2)
Il les explique en admettant que la propagation de la lumière entre Jupiter et la Terre n'est pas instantanée. Lors du mouvement de la Terre autour du Soleil, sa distance à Jupiter varie, ainsi que la durée du parcours de la lumière entre les deux planètes. Pour une durée d’observation de 6 mois,Römer détermine alors une variation de la durée de parcours égale à 22 min (aujourd'hui 16 min 44 s), pour une variation de distance à parcourir égale à 276 millions de kilomètres, correspondant au diamètre de l'orbite terrestre (aujourd'hui 2,99 x 1011 m). Il en déduit un ordre de grandeur de la vitesse de la lumière.

7 Première mesure sur Terre
Près de deux siècles plus tard, en 1849, Fizeau réussit la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière. Fizeau fait son expérience entre Montmartre et le Mont Valérien à Suresnes distants de 8633 m. Il utilise une roue « dentée » dont les dents coupent périodiquement un faisceau lumineux. La lumière passe pendant la brève durée où aucune dent n'interrompt le faisceau. Elle parcourt 8633 m, se réfléchit sur un miroir, parcourt la même distance en sens inverse pour revenir à la table de mesure.

8 Première mesure sur Terre(2)
La roue dentée du montage comporte 720 dents et 720 échancrures. Fizeau ajuste alors la vitesse de rotation de la roue qui permet à la lumière de traverser un "creux" et de revenir lorsque la dent suivante a pris la place du creux. Le faisceau est donc juste occulté et ne parvient plus à l'observateur. Cette vitesse de rotation est mesurée à 12,6 tours par seconde.

9 La mesure dans une salle de classe du lycée Galilée
Le principe : Grâce à la rapidité des composants électroniques actuels, il est possible de remplacer la roue dentée de FIZEAU par un dispositif qui permet de « hacher » le faisceau d’une diode laser (identique à celle qui lit vos CD ou DVD) à une fréquence voisine de 200 000 éclairs par seconde. Un séparateur comportant 2 lames inclinées partage en 2 ce faisceau : une partie est reçue directement sur une photodiode D1, la deuxième partie parcourt un chemin plus long, se réfléchit sur un miroir placé au fond de la salle et revient sur la photodiode D2 (une lentille concentre le faisceau moins directif que celui d’un laser normal).

10 La mesure dans une salle de classe du lycée Galilée
Dipôle D2-R2 qui reçoit le signal après réflexion au fond de la salle GBF produisant une tension créneau de 200 kHz environ pour « hacher » l’émission lumineuse Générateur qui alimente la diode laser et les photodiodes. lentille Photodiode D1 qui reçoit les signaux en 1er Diode laser modulable Séparateur de faisceau laser

11 La mesure dans une salle de classe du lycée Galilée
Lorsque une photodiode reçoit un « éclair », elle devient conductrice : l’intensité dans la résistance montée en série devient non nulle et la tension aux bornes de cette résistance augmente : en reliant un oscilloscope aux bornes de la résistance, on obtient donc une image électrique de l’éclairement périodique de la photodiode ; en comparant les deux traces, on constate que le signal de la voie 2 est légèrement en retard sur celui de la voie 1.

12 La mesure dans une salle de classe du lycée Galilée
On mesure ici un décalage de réception d’environ 0,4 division Balayage réglé sur 0,2 µs/division

13 La mesure dans une salle de classe du lycée Galilée
Résultats En utilisant la diagonale de la salle D13, on obtient une longueur disponible de 11 m environ soit 22 m aller-retour ; l’aspect de l’écran photographié a été obtenu avec un réglage de la base de temps de 0,2 µs/div : on peut en déduire un ordre de grandeur de c .