Chapitre 5 La nature de la lumière

 Nature de la lumière
• La lumière est une particule (Newton)
• La lumière est une onde (Huygens)
 Mesure de
• Galilée
• Römer
la vitesse de la lumière
 Effet Doppler
• Mesure de la vitesse orbitale de la Terre
• La loi de Hubble
Mais, comment se fait-il que
nous ne puissions pas voir dans
le noir; l'œil pourrait pourtant
encore émettre des rayons?
Pythagore
Euclide
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au XVIIème siècle, deux scientifiques avaient des
visons différentes sur la nature de la lumière……
La lumière
est une
particule
Non! La
lumière est
une onde
Isaac Newton
1643 - 1727
Christian Huygens
1629 - 1695
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Au XVIIe siècle, Descartes et
Newton envisageaient la lumière
comme un flux de particules.
Isaac Newton
Réflexion : collision élastique;
Réfraction: attraction ;
Tandis que Huygens soutenait
qu’il s’agissait d’une perturbation
dans un milieu que l’on nommait
« éther ».
Christian Huygens
Réflexion et réfraction :
changement de vitesse de la lumière;
Galilée tenta, sans succès de mesurer la
vitesse de la lumière en demandant à
son assistant situé une colline voisine
d’ouvrir sa lanterne à l’instant où il
ouvrirait la sienne.
La lumière ne prend que
30 microsecondes pour
parcourir la distance de
10 km séparant les deux
montagnes!
Variation de la période de Io (lune de
Jupiter).
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Jupiter
Soleil
Terre
Terre
Variation de la période de Io
(lune de Jupiter).
Lorsque la Terre s’éloigne de
Jupiter, la période
est plus longue, que lorsque la
Terre se rapproche de Jupiter
(15s).
Jupiter
Ainsi, la variation de 22 minutes mesurée par Römer dans la prédiction
du début de l’éclipse est causée par la distance supplémentaire que doit
parcourir la lumière.
Résultats: c = x / t = 2,27 x 108 m/s.
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La première mesure terrestre de la vitesse de la
lumière fut réalisée à Paris en 1849 par A. Fizeau.
On peut décomposer la lumière blanche avec l’aide d’un
prisme.
La longueur d’onde de la lumière visible se situe entre
400 nm (bleu) et 700 nm (rouge).
La vitesse de la lumière est la même pour toutes les ondes
électromagnétiques.
c  300,000 km / s
La longue d’onde  est la distance entre deux crêtes ou
deux creux consécutifs.
La fréquence représente le nombre d’oscillations par seconde.
Ondes lumineuse
Longueur d’onde ()
Couleur
Longueur d’onde
Lumière rouge – grande longueur d’onde, basse énergie
Lumière bleue – courte longueur d’onde, haute énergie
Définition:
Variation de la fréquence
observée lorsqu’il y a un
mouvement relatif entre la
source et l’observateur.
J.C. Doppler
L’effet Doppler est un changement de fréquence dû à un
mouvement relatif entre la source et l’observateur.
Aucune vitesse
relative?
Je m’approche
du bus avec une
vitesse relative
de 20 km/h
Je m’éloigne de
l’ambulance
avec une vitesse
relative de 20
km/h
Je m’approche
avec une vitesse
relative de 160
km/h
V = 80 km/h
V = 80 km/h
V = 60 km/h
V = 40 km/h
V = 40 km/h
V = 60 km/h
V = 80 km/h
V = 80 km/h
Spectre de référence (labo)
Laboratoire – Aucune vitesse
radiale
Terre
Étoile
éloignée
vr 
Vitesse radiale = 0
  c
o
Blueshift
Vitesse radiale Redshift
Vitesse radiale +
o 
Décalage vers le rouge: La distance entre
l’observateur et la source augmente.
Décalage vers le bleu: La distance entre
l’observateur et la source diminue.

v
f v
 ou

 c
f
c
 = variation de longueur d’onde, f = variation de fréquence
o = longueur d’onde (source au repos)
v = vitesse de la source
c = vitesse de la lumière
Vitesse (km/s)
Vitesse d’éloignement des galaxies
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
20
40
Distance (Kpc)
60
80
Une sonde spatiale qui se dirige vers Mars émet un
signal à une fréquence de 100 MHz (1 MHz = 106 Hz).
Le récepteur terrestre capte le signal à la fréquence de
99.99 MHz. Calculez la vitesse et la direction de la
sonde spatiale?
f V

f
c
f  100 MHz  108 Hz,
f  100  99.99  0.01MHz  104 Hz
4
f
10
V  c
 3  105 km / s  8  30 km / s
f
10
Puisque la fréquence diminue, la sonde spatiale s’éloigne de la
Terre.
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