Activité 8 – Analyse de documents : la vitesse de la lumière

Optique – 4ème – Chap. 5 – La vitesse de la lumière Activité 8 – Analyse de documents : la vitesse de la lumière
M. HEURTEBISE http://x.heurtebise.free.fr/ 1/2
Activité 8 – Analyse de documents : la vitesse de la lumière
Objectif(s) :
• Comprendre d’où vient la vitesse de la lumière.
• Comprendre l’intérêt des années-lumière.
Historique
Jusqu’à la fin de XVIe siècle, on a cru que la lumière se
propageait instantanément, c’est-à-dire que sa vitesse
était infinie. En effet, dès que l’on allumait une bougie, la
lumière éclairait aussitôt tous les objets situés autour.
Les premières tentatives pour estimer la vitesse de la
lumière furent entreprises par Galilée (1564-1642) au
XVIIe siècle. Galilée s'était placé sur une colline avec une
lampe couverte. Un de ses élèves s'était placé avec une
lanterne semblable sur une colline voisine. Galilée devait
dévoiler sa lanterne et mesurer le temps qu'il fallait à la
lumière pour revenir vers lui après que son acolyte l'ait
renvoyée. La lumière semblait revenir instantanément. Il
conclut, subtilement, que la vitesse de la lumière était
trop grande pour être mesurée.
C'est à l'astronome danois Olaüs Römer (1644-1710) que
revient le mérite d'avoir effectué la première mesure de
cette vitesse en 1676 en étudiant la périodicité des
éclipses des satellites de Jupiter. Römer a trouvé une
valeur de 225 000 km/s pour la vitesse de la lumière.
Hippolyte Fizeau (1819-1896) a
amélioré la mesure de cette vitesse
en utilisant un dispositif à roue
dentée, il trouve 315 000 km/s,
avec une erreur de seulement 5%.
En 1870, Alfred Cornu (1841-1902)
perfectionne la méthode de la roue
dentée et trouve 298 500 km/s.
En 1878, Albert Michelson (1852-
1931) « bricole » un dispositif à
miroir tournant et trouve 300 140
± 480 km/s : c’est la première
valeur donnant une mesure avec
un intervalle de précision
contenant la valeur actuelle.
En 1947, avec une cavité résonnante – guide d’onde
fermé – Louis Essen trouve 299 792 ± 3 km/s.
En 1972, Kenneth Evenson, avec un laser hélium-néon
stabilisé, trouve 299 792,4574 ± 0,0011 km/s. En 1978,
Woods, Shotton et Rowley, avec le même type de laser
qu’Evenson mais dans des conditions expérimentales plus
strictes, trouvent 299 792,45898 ± 0,0002 km/s.
C’est cette dernière valeur qui correspond à la définition
actuelle de la vitesse de la lumière dans le vide absolu :
c = 299 792, 459 km/s.
Voir loin, toujours plus loin
L'étoile la plus proche de nous est Proxima du Centaure
qui se trouve « seulement » à 40 000 milliards de km. La
lumière met 4,2 années pour
effectuer ce trajet ! La lumière
qui nous parvient de la galaxie
d'Andromède, la plus proche de
la nôtre, effectue ce trajet en
2 millions d'années !
En astronomie, les distances, qui sont extrêmement
grandes, sont mesurées en années-lumière (a.l.) : c'est la
distance que parcourt la lumière en une année.
La lumière, un outil pour remonter le temps
Lorsque nous observons l'étoile Proxima du Centaure,
nous la voyons telle qu'elle était il y a 4,2 ans. De même,
nous observons la galaxie d'Andromède telle qu'elle était
il y a 2 millions d'années, au moment de l'apparition des
premiers hommes ! Ainsi, plus nous voyons loin, plus
nous voyons dans le passé !
Le télescope Hubble a détecté des galaxies situées à plus
de 13 milliards d'années-lumière !
La conquête spatiale
C'est au cours de la seconde moitié du XXe siècle que la
conquête de l'espace a débuté.
Le 4 octobre 1957, les soviétiques réalisent la première
mise en orbite d'un satellite artificiel, Spoutnik. Ce
satellite effectuait le tour de la Terre en 97 minutes à une
altitude comprise entre 230 et 950 km.
Avec nos fusées actuelles, il
faudrait 150 000 ans pour nous
rendre sur l'étoile la plus
proche... et même en voyageant
à la vitesse de la lumière, il
faudrait tout de même un peu
plus de 4 ans ! À cette vitesse, il nous faudrait 100 000 ans
pour traverser notre galaxie et plusieurs millions d'années
pour nous rendre sur d'autres galaxies.
Aussi, sommes-nous limités à observer les étoiles et les
galaxies telles qu'elles étaient au moment où la lumière
qu'elles ont émise arrive aujourd'hui sur Terre. Cela est
possible grâce à des télescopes dont le plus connu est le
télescope Hubble, en orbite autour de la Terre.
Galaxie d’Andromède

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1) Questions
Q1. Quelle durée met la lumière pour aller de la lampe à un mur situé à 3 m ?
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Q2. Neptune, située à 4,5 milliards de km du Soleil, est la planète la plus éloigné du système solaire. Quelle durée met la
lumière pour aller du Soleil à Neptune ?
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Q3. La Terre est située à 150 millions de km du Soleil. Quelle durée met la lumière pour aller du Soleil jusqu’à nous ?
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Q4. A quelle distance équivaut 1 a.l. (1 année-lumière), sachant que la vitesse de la lumière est environ 300 000 km/s ?
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Q5. Sachant que notre galaxie, la Voie lactée, a un diamètre de l’ordre de 100 000 a.l., quel est son diamètre en kilomètres ?
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Q6. Pourquoi observons-nous, dans le ciel, de nombreuses étoiles ou galaxies qui ont certainement disparu il y a bien
longtemps ?
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Q7. Les vitesses les plus grandes obtenues actuellement avec des -fusées sont de l'ordre de 30 000 km/h. Avec une telle
fusée combien de temps mettrait-on pour :
a. parcourir La distance Terre-Soleil égale à 150 millions de kilomètres ?
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b. se rendre sur Neptune, la planète la plus éloignée du système solaire, située à 4,5 milliards de kilomètres de La
Terre ? Que peux-tu en conclure ?
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Q8. Pourquoi n'est-il pas envisageable actuellement d'aller vers d'autres systèmes solaires ?
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