Activité documentaire (seconde)

Activité documentaire (seconde) : Histoire de la mesure de la
vitesse de la lumière
I)
LES DOCUMENTS
Document 1 : La vitesse de la lumière est-elle finie ou infinie ?
La vitesse de la lumière est tellement grande que durant des siècles les savants ont pensé que la lumière se
propageait de façon instantanée. Dans ce cas la vitesse de la lumière serait infinie.
Les premiers pas
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Le savant arabe Alhazen (965-1039) est l’un des premiers à penser, sans pouvoir le vérifier, que la
propagation de la lumière peut ne pas être instantanée.
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Au XVIIème siècle, le physicien et
astronome italien Galilée (1564-1642)
reprend cette idée et tente de déterminer
la vitesse de la lumière. Pour cela, il
cherche à mesurer la durée de
propagation de la lumière entre deux
collines situées à 1800 m l’une de l’autre :
De nuit, il se place au sommet d’une
colline et allume une lanterne. Un de ses
assistants, situé sur l’autre colline, allume
sa lanterne dès qu’il aperçoit la lumière de
la première.
Galilée constate que les allumages des
lanternes semblent simultanés. Il n’en
conclut pas pour autant que la vitesse de
la lumière est infinie mais simplement que
celle-ci est trop grande pour être
mesurée.
Les preuves expérimentales
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Au XVIIème siècle, sous le règne de louis XIV, les astronomes remarquent que les éclipses des satellites
de Jupiter ne se produisent pas toujours à l’heure prévue. Parfois elles sont « en avance », d’autres
fois elles sont « en retard »
En 1676, l’astronome danois Römer (1644-1710) explique ces irrégularités par la variation de la
distance entre la Terre et Jupiter. Plus Jupiter est loin de la Terre et plus la lumière qui vient de Jupiter
met du tems pour parvenir jusqu’à la Terre. Avec la même méthode que Römer, l’astronome français
Delambre (1749-1822) détermine qu’il faut 8 min 13s pour que la lumière parcoure une distance égale
au rayon de l’orbite terrestre autour du Soleil.
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Document 2 : la méthode de Römer pour déterminer la vitesse de la lumière
Voir la vidéo : vitesse de la lumière nº1 de la date t = 6min19s jusqu’à la fin
Document 3 : Première mesure en laboratoire effectuée par Hippolyte Fizeau (1819-1896)
Voir la vidéo : vitesse de la lumière nº2
Le principe de l'expérience est le suivant : la roue dentée Z (Zahnrad) est mise en rotation, la source lumineuse
L (Licht) est réfléchie par un premier miroir semi-transparent S1 (Spiegel 1), franchit une échancrure de la roue,
parcourt la distance d (Δs sur le schéma), se réfléchit sur un miroir lointain S2, parcourt à nouveau la distance
d, et arrive à nouveau sur la roue dentée. Mais celle-ci, entre temps, a légèrement tourné : la lumière réfléchie
peut tomber sur une dent et donc être bloquée ou passer par une échancrure suivante. En mesurant le temps
qu'il a fallu à la roue pour devenir bloquante, à partir de sa vitesse de rotation (mesurée par l'appareil), et de la
distance parcourue (distance Montmartre-Suresnes également connue) on calcule la vitesse de la lumière. La
distance entre Suresnes et Montmartre est 17 2666 m. Le temps pour que la roue dentée devienne
bloquante : t = 55s.
Encyclopédie Wikipédia
Document 4 : Une version moderne de l’expérience de Fizeau
Site internet : http://expositions.obspm.fr/lumiere2005/tir_pratique.html
Document 5 : Données
Valeur actuelle de la vitesse de la lumière : c = 299 792 458 m.s-1
L’unité astronomique (U.A) est basée sur la distance Terre.-Soleil : 1 U.A = 149 597 870 700 m
II)
TRAVAIL A REALISER
Répondre aux questions suivantes :
1.
Parmi les trois relations ci-dessous, quelle est la relation correcte qui lie la vitesse c de la lumière, la
distance d qu’elle parcourt et la durée t du parcours :
(1)
c  d  t
(2) c 
d
t
(3) c 
t
d
Indiquer les unités de chacune des grandeurs dans la relation correcte
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2.
3.
4.
5.
6.
En utilisant la valeur actuelle de la vitesse de la lumière, déterminer la durée du trajet aller-retour de
la lumière entre les deux collines de l’expérience de Galilée. Expliquer pourquoi cette mesure n’était
pas possible à l’époque.
Déterminer la valeur de la vitesse qu’aurait pu trouver Delambre si, à cette époque, la distance Terre
Soleil avait été connue précisément. Déterminer la valeur de la vitesse de la Lumière trouvée par
Hippolyte Fizeau. Commenter les résultats en comparant avec la valeur actuelle de cette vitesse.
Quelle preuve apporte l’expérience de Römer (confirmée par Delambre) ? Qu’aurait observé Römer si
la vitesse de la lumière était infinie ?
Expliquer le principe de l’expérience de mesure de la vitesse de la lumière réalisée par Fizeau puis
repris en 2005 lors de l’expérience présentée dans le cadre de l’exposition « c à Paris » (document 4).
Chercher qui était Léon Foucault (1819-1868). Quels furent ses principales contributions à la
physique ? Comment Léon Foucault parvient-il à mesurer la vitesse de la lumière en laboratoire ? En
quoi sa méthode était-elle plus précise que celle d’Hippolyte Fizeau ?
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