Cahpitre 3 - propagation lumière

Chapitre 3 - Vitesse de la lumière et du son
Rappel : Nous avons vu en Cinquième que la lumière se propageait en ligne droite (dans
un milieu homogène). Nous connaissons donc le “chemin” selon lequel la lumière se
propage.
Mais combien de temps lui faut-il pour se propager sur une certaine distance ? Par
exemple entre le Soleil et la Terre.
Pour le savoir, il nous faut connaître sa vitesse de propagation.
1. Propagation de la lumière
1.1. Dans quels milieux la lumière peut-elle se propager ?
La lumière peut se propager dans le vide, ou dans des milieux matériels
transparents (air, verre, eau, etc.).
1.2. La vitesse de propagation de la lumière
La lumière se propage à la vitesse prodigieuse de 3 x 108 m/s
c’est-à-dire 300 000 kilomètres par seconde (ou 3 x 105 km/s) !
Cette vitesse est la plus élevée que l’on connaisse. Il n’y a pas de propagation ou de
déplacement plus rapide qui soit possible, d’après les connaissances actuelles en
Physique.
Remarque : la lumière fait partie de la famille des “ondes électromagnétiques”, dans
laquelle on compte aussi les rayonnements infrarouges, les ondes radio, mais aussi les
micro-ondes, les rayons X, etc.
Tous ces rayonnements électromagnétiques se propagent à la même vitesse, c’est-à-dire
3 x 108 m/s.
1.3. Calculs possibles
Notations utilisées : Dans les calculs qui suivront, on appellera :
- d la distance “parcourue” par la lumière (en fait, elle ne court pas, elle se propage !).
- t la durée de ce “parcours”.
- v la vitesse de propagation.
La relation mathématique qui lie ces trois grandeurs est :
d en mètre (m)
d = v x t avec
d en kilomètre (km)
t en seconde (s)
ou t en seconde (s)
v en mètre par seconde (m/s)
v en kilomètre par seconde (km/s)
Exemple de calcul :
La distance moyenne de la Terre au Soleil est 1,5 x 108 km (150 millions de kilomètres).
Calculons le temps moyen t pour que la lumière du Soleil parvienne jusqu’à la Terre.
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On sait que :
d en kilomètre (km)
avec
t en seconde (s)
v en kilomètre par seconde (km/s)
A.N. 1] Ici
d = 1,5 x 108 km
v = 3 x 105 km/s
donc
La lumière du Soleil met donc en moyenne 8 mn 20 s pour nous parvenir.
Autre exemple de calcul : Que se passe-t-il lors d’un orage ?
Au moment et sur le lieu de la décharge électrique, deux phénomènes se produisent
simultanément :
- l’émission de lumière : l’éclair.
- une détonation (émission d’un son très puissant) : le tonnerre.
Mathieu observe un orage, mais il est à 6 km du lieu de celui-ci. Il constate un décalage
important entre le moment où il voit l’éclair, et le moment où le son du tonnerre lui
parvient.
Peut-on expliquer cela ?
On peut en tout cas calculer le temps nécessaire à la lumière de l’éclair pour parvenir
aux yeux de Mathieu.
Faisons ce calcul :
On sait que :
d en kilomètre (km)
avec
t en seconde (s)
v en kilomètre par seconde (km/s)
A.N.] Ici
d = 6 km
v = 3 x 105 km/s
donc
Mathieu voit donc l’éclair 20 µs (20 microsecondes, soit 20 millionnièmes de seconde)
après que celui-ci s’est produit. On peut donc dire qu’il voit l’éclair presque
instantanément2.
Il reste le problème de l’audition du tonnerre. Ceci est une autre question, qui concerne
la vitesse de propagation du son…
1
“A.N.” signifie “Application numérique”. Cʼest ce quʼon écrit quand on sʼapprête à appliquer une
relation mathématique littérale (avec des lettres) en utilisant des valeurs numériques (nombres). Dans un
calcul bien rédigé, il ne doit pas y avoir de valeur numérique écrite avant la mention “A.N.”.
2
On peut dʼailleurs généraliser ceci : Étant donné la TRÈS grande vitesse de propagation de la lumière,
quand on observe un phénomène se passant sur Terre, même de loin, lʼobservation est quasi-instantanée.
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2. Propagation du son
2.1. Dans quels milieux le son peut-il se propager ?
Le son est un phénomène très différent de la lumière ; d’ailleurs les organes de leurs
perceptions sont différents. On entend grâce aux oreilles, mais on peut aussi percevoir
les sons graves en ressentant des vibrations à la surface du corps. Dans l’oreille, c’est
une membrane de peau très fine, le tympan, qui est (très) sensible à ces vibrations.
Le son ne se propage que dans des milieux matériels (solides, liquides et gaz) mais
il ne se propage pas dans le vide3 .
Ce sont les molécules du milieu ambiant (généralement l’air) qui sont “mises en
vibration” par l’émetteur du son 4. Ces vibrations sont transmises de proche en proche
aux molécules voisines, jusqu’à faire vibrer le récepteur du son (tympan, membrane de
microphone, etc.) : c’est ainsi que les sons se propagent.
2.2. La vitesse de propagation du son
La vitesse de propagation du son dans l’air vaut environ 340 m/s.
C’est bien moins rapide que la vitesse de propagation de la lumière !
On comprend donc pourquoi on entend le tonnerre après avoir vu l’éclair…
Calculons le temps nécessaire pour que Mathieu, dans l’exemple précédent, entende le
tonnerre.
Voici le calcul :
On sait que :
d en mètre (m)
avec
t en seconde (s)
v en mètre par seconde (m/s)
Remarque : on a choisi un système d’unités adapté à la situation, ce qu’il faut toujours
penser à faire.
A.N.] Ici
d = 6 km = 6 x 105 m (on pense à convertir dans l’unité choisie)
v = 340 m/s
donc
Mathieu entend donc le tonnerre environ 18 s après avoir vu l’éclair.
Remarque : Cet écart de 18 s correspond à une distance de 6 km par rapport à l’orage.
On comprend donc que pour chaque kilomètre de distance par rapport à l’orage, il y aura
3 s (18/6) de décalage pour l’audition du son. Ainsi, si on entend le son environ 12 s
après avoir vu le tonnerre, cela veut dire qu’on est à environ 4 km du lieu de l’orage…
3
Les sons de vaisseaux spatiaux dans Star Wars, par exemple, sont donc bien de la science-fiction ; les
vaisseaux aussi, dʼailleurs…
4
les cordes vocales, par exemple, ou encore une corde de guitare, un morceau de métal vibrant (cloche,
diapason…), etc.
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