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Physique 2nde – 2007/2008
Chapitre 3 : La lumière et les mesures des distances
Chapitre 3 : La lumière et les mesures de distances
3) La vitesse de la lumière
On a longtemps cru que la lumière se propageait à une vitesse infinie. Galilée
(Galiléo Galiléi (1564-1642)) est le premier à remettre cette idée en cause et à
tenter de mesurer la vitesse de propagation de la lumière, en vain…
I. Introduction: rayon visuel et rayon lumineux
 Dans l'Antiquité, les Grecs pensaient que l’œil émettait un rayon visuel qui se
réfléchissait et revenait à l'œil pour lui apporter les images.
 Au 10ème siècle, un savant égyptien étudie l’œil humain et démontre que celui-ci
est un capteur et que les images que nous voyons sont dues à la propagation de
rayons lumineux reçus par l’œil.
II. La propagation de la lumière
En 1675, un astronome Danois fait une première estimation de la vitesse de la
lumière en observant l'occultation de Io.
Au 19ème siècle, Fizeau, Foucault puis Michelson utilisent la réflexion lointaine
(plusieurs kilomètres) d'impulsions lumineuses pour affiner la valeur de c.
 La vitesse de la lumière dans le vide, notée c, est une constante universelle
indépendante du référentiel dans lequel on la mesure.
Sa valeur est c= 299 792 458 m.s-1  3 108 m.s-1.
1) Le principe de propagation rectiligne de la lumière
 Dans tout milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne
droite.
 L’air et le vide sont des milieux transparents et homogènes et la propagation de
la lumière y est donc rectiligne.
 Remarque : Il arrive que l'air ne soit pas homogène lorsqu'il existe des grosses
différences de température entre différentes couches d'air. La propagation de
la lumière n'est plus rectiligne et cela donne naissance aux mirages.
2) Application: la méthode des ombres
Cette utilisation de la propagation rectiligne de la lumière inaugurée par Thalès et
conduisit à l'énoncé du fameux théorème portant son nom.
 La figure ci-dessous illustre le cas où, pour estimer la hauteur d’un bâtiment, on
utilise un piquet de hauteur h connue planté dans le sol.
 La vitesse de la lumière dans le vide est une vitesse limite, aucun objet ni même
aucune onde ne peut aller plus vite.
 Dans l'air la lumière se propage avec la même vitesse que dans le vide. Dans les
autres milieux transparents (verre, plexiglas, eau, alcool...) la vitesse de la
lumière est toujours inférieure à c.
III. L'année de lumière
1) Définition de l'année de lumière
Le fait que la lumière possède une vitesse de propagation dans le vide qui soit une
constante universelle permet de relier la définition de l’espace à celle du temps car
distance=vitesse  temps.
 Une année de lumière (symbole a.l.) est la distance parcourue par la lumière,
dans le vide, en une année :
 Une année de lumière est une distance qui vaut :
1 a.l. =299 792 458  (36524 3600)=9,45 1015 m  1016 m
2) Les distances en astronomie
 Le théorème de Thalès donne alors :
H
h
=
L
l
donc H =
h×L
l
 L'année de lumière est une unité de distance gigantesque qui convient bien pour
décrire les distances dans l'univers.
Exemples :
- L'étoile la plus proche de la Terre est Proxima du Centaure. Pour nous parvenir,
la lumière émise par cette étoile met 4,3 années ce qui signifie que cette étoile
est située à 4,3 a.l. de la Terre.
- La galaxie d'Andromède quant à elle est située à 10 6 a.l. de notre Soleil.
Physique 2nde – 2007/2008
Remarque : A l'intérieur de notre système solaire les distances sont plus petites
qu'une année de lumière. Ainsi, la lumière solaire met 8 min et 20 s pour arriver
jusqu'à la surface de la Terre.
3) De l'espace au temps
 Si une étoile est située à 7 a.l. de la Terre la lumière qu'elle émet met 7 années
à nous parvenir. Nous la voyons donc telle qu'elle était il y a 7 ans.
 Le 23 février 1987 des astronomes ont observé l'explosion d'une étoile située
à une distance de 1,75 1018 km de la Terre. Cette explosion avait en réalité eu
lieu il y 175000 ans
 Regarder loin dans l'espace, c'est percevoir des événements qui ont eu lieu loin
dans le passé !
Cette constatation justifie en partie l'intérêt que portent les astrophysiciens à
l'observation de l'espace lointain. En effet, observer des galaxies très lointaines
de nous c'est observer l'état de l'Univers il y a très longtemps et peut être percer
le mystère des débuts de l'Univers.
On peut remarquer que selon la théorie du Big Bang l’Univers serait né d’un
explosion il y a 20 milliards d'années. Nous ne devrions donc rien pouvoir observer
plus loin que 20 milliards d'a.l. !
Dans un registre plus proche de la science-fiction, imaginons que la terre soit
observée depuis une planète située à 4 milliards d'années de lumière elle
apparaîtrait nue et désolée car la vie n'y est apparue qu'il y 3,8 milliards d'années...
IV. L'effet d'écho pour la mesure des distances
 L’écho est le phénomène de réflexion des ondes sur un objet.
L'écho est un phénomène que l’on rencontre souvent avec des ondes sonores.
L'écho des ultrasons est utilisé par les dauphins et les chauves-souris pour se
repérer dans l'espace et pour localiser leurs proies (d'écholocalisation).
 L'homme utilise le phénomène d'écho pour mesurer des distances :
- avec des ondes électromagnétiques comme les ondes radio, c'est l'écho radar
- avec des ondes lumineuses comme pour la mesure de la distance Terre-Lune
avec un rayon Laser: c'est l'écho laser.
- avec des ondes ultra-sonores, c'est l'écho sonar qui permet aux navires de
sonder l'océan.
Chapitre 3 : La lumière et les mesures des distances
 Une onde se propage à la vitesse v en direction d’un obstacle (mur, miroir...)
situé à une distance d, qu’elle s’y réfléchie et qu’elle revient.
La distance parcourue correspond à un aller-retour elle vaut 2×d.
On note Δt le temps entre l’émission de l'onde et le retour de l'onde réfléchie.
On sait que « distance = vitesse × temps »
On obtient la relation : d =
v × t
2
 La mesure du temps Δt et la connaissance de la vitesse v permettent donc de
déterminer la distance d.
Remarque : v=340 m/s pour le son dans l'air et v=3.10 8m/s pour les ondes radio.