CHAP1 : « Du très petit au très grand »

L’UNIVERS
Chap. 1 Du très petit au très grand
A propos de la vitesse de la lumière
I. Objectifs:





Extraire l’information utile
Utiliser les puissances de 10 ; choisir le bon nombre de chiffres significatifs
Connaître la vitesse de la lumière dans le vide
Connaître la définition de l’année de lumière et son intérêt
Expliquer que « voir loin, c’est voir dans le passé »
II. La lumière n’est pas instantanée elle se propage dans le vide à la vitesse
C = 299 792,458 km/s
Après avoir regardé la vidéo, étudier le document page 17 pour découvrir l’histoire des débuts de la mesure de la
vitesse de la lumière.
Répondre aux questions 1 et 2.
1.
Durée du trajet aller et retour entre les deux collines lors de l’expérience de Galilée : t
𝑑
𝟑 𝟔𝟎𝟎
𝒅
𝟏 𝟖𝟎𝟎 𝒙 𝟐
On sait que 𝒗 =
d’où ∆𝐭 =
𝐭 =
= 𝟑,𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎𝟖
𝐭 = 𝟏, 𝟐𝟎 × 𝟏𝟎−𝟓 s
𝒗
𝟑,𝟎𝟎×𝟏𝟎𝟖
∆𝑡
On sait que
𝒗=
𝑑
∆𝑡
𝐭 = 𝟏, 𝟐𝟎𝟏 × 𝟏𝟎−𝟓 s
d’où ∆𝐭 =
𝒅
𝒗
𝐭 =
𝟏 𝟖𝟎𝟎 𝒙 𝟐
𝟐𝟗𝟗 𝟕𝟗𝟐,𝟒𝟓𝟖×𝟏𝟎𝟑
=
𝟑 𝟔𝟎𝟎
𝟐𝟗𝟗 𝟕𝟗𝟐,𝟒𝟓𝟖 𝒙 𝟏𝟎𝟑
(3 C. S.)
= 1,200 830 743.10-5
(4 C. S.)
Les appareils de mesure du temps n’atteignaient pas cette précision à l’époque, la mesure n’était donc pas possible.
2.
Vitesse de la lumière avec les mesures de Römer : v
𝒅
d = 150 millions de km soit d = 150.109 m = 1,50.1011 m ;
𝒗 = 𝒕 et
𝒗=
𝟏,𝟓𝟎 ×𝟏𝟎𝟏𝟏
𝟏𝟏×𝟔𝟎
∆t = 11 min soit ∆t = 11 x 60 = 660 s
𝒗 = 𝟐, 𝟑 × 𝟏𝟎𝟖 m.s-1
III. Mesurer une distance astronomique en mesurant une durée
1 Rappeler la formule qui permet de calculer une distance d lorsqu’on connaît la durée t et la vitesse c, préciser les
unités légales.
d = c x t
2 Pour mesurer la distance séparant la Terre de la Lune, on utilise la technique de l’écho-laser (voir ex 20 p 25)
La durée d’un aller-retour de la lumière est t = 2,56 s



Combien de chiffres significatifs comporte cette mesure ? Trois chiffres significatifs
Avec l’écriture scientifique et avec le même nombre de chiffres significatifs, écrire la valeur de la vitesse de
la lumière :
c = 3,00 x 105 km/s = 3,00 x 108 m.s-1
En déduire la distance Terre-Lune (en mètre et avec l’écriture scientifique)
d = c x t

d= 3,00 x 108 x
2,56
2
d = 3,84 x 108 m
Donner l’ordre de grandeur avec un nombre et une phrase ?
L’ordre de grandeur de la distance Terre-Lune est de 105 km soit 108 m
La distance Terre-Lune est de l’ordre du dixième de gigamètre
Activité : A propos de la vitesse de la lumière
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3 Pour des objets célestes très lointains, l’unité de mesure de la longueur « humaine » : le mètre (m) est beaucoup
trop petite. On utilise alors l’année de lumière (a.l)
Une année de lumière est la distance parcourue par la lumière en un an

A l’aide de cette définition et par un calcul, convertir cette unité de longueur en m en utilisant l’écriture
scientifique (on gardera trois chiffres significatifs). Dans 1 an, il y a 365,25 jours (1 année bissextile tous les
4 ans).
Distance en m
∆t = 1 année c = 3,00 x 108 m/s = 3,00 . 108 m.s-1
Dans un an il y a 365,25 jours, dans un jour il ya 24 heures, dans une heure il y a 3 600 secondes
d = c x ∆t = 3,00 x 108 x 3600 x 24 x 365,25
soit d = 9,47 x 1015 m
IV. Intérêt de l’année de lumière ?
4 La nébuleuse d’Orion est située à environ 1 800 a.l de la Terre, combien de temps la lumière émise par cette
Nébuleuse a-t-elle mis pour arriver sur Terre ?
Si la nébuleuse d’Orion se trouve à 1800 a.l, par définition de l’a.l, la lumière émise par Orion met 1 800
ans pour arriver sur Terre.
5 A quelle date la lumière que nous recevons aujourd’hui a-t-elle été émise ?
La lumière que nous recevons aujourd’hui a été émise il y a 1800 ans soit en 212 Après JC.
2 015 – 1 800 = 215
6 Que se passait-il en France à cette époque ?
La Gaule devenait romaine
V. Pourquoi voir loin c’est regarder dans le passé ?
Expliquer la célèbre phrase d’Hubert Reeves « Regarder loin, c’est regarder tôt »
“ Regarder loin, c'est regarder tôt ”
Dans “ Patience dans l'azur ”, Editions du SEUIL, l'astrophysicien Hubert REEVES écrit :
“ Nous savons aujourd’hui que, comme le son, la lumière se propage à une vitesse bien déterminée. En
1675, étudiant le mouvement des satellites de Jupiter, l’astronome danois Römer a mis en évidence
certains comportements bizarres. Ces comportements s’expliquent si on admet que la lumière met
quelques dizaines de minutes à nous arriver de Jupiter. Cela équivaut à une vitesse d’environ trois cent
mille kilomètres par seconde, un million de fois plus vite que le son dans l’air. Il faut bien reconnaître
que, par rapport aux dimensions dont nous parlons maintenant, cette vitesse est plutôt faible. A
l'échelle astronomique, la lumière progresse à pas de tortue.
Les nouvelles qu'elle nous apporte ne sont plus fraîches du tout !
Activité : A propos de la vitesse de la lumière
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Pour nous c'est plutôt un avantage. Nous avons trouvé la machine à remonter le temps ! En regardant
“loin”, nous regardons “tôt”. La nébuleuse d'Orion nous apparaît telle qu'elle était à la fin de l’Empire
romain, et la galaxie d'Andromède telle qu'elle était au moment de l'apparition des premiers hommes, il
y a deux millions d’années. A l'inverse, d'hypothétiques habitants d'Andromède, munis de puissants
télescopes, pourraient voir aujourd'hui l'éveil de l'humanité sur notre planète...
Les objets les plus lointains visibles au télescope sont les quasars. Ce sont en fait des galaxies, mais des
galaxies assez spéciales. Leur noyau émet une fantastique quantité d’énergie. Autant que dix mille fois
notre Galaxie tout entière. Ce noyau apparaît, de loin comme une source ponctuelle, comme une étoile.
D’où le nom de “ quasi-star ” ou “ quasar ”. Certains quasars sont situés à douze milliards d’annéeslumière. La lumière qui nous en arrive a voyagé pendant douze milliards d’années. C’est-à-dire quatrevingts pourcent de l’âge de l’univers... C’est la jeunesse du monde que leur lumière nous donne à voir au
terme de cet incroyable voyage.
Dans ces conditions, il est naturellement impossible d’avoir un portrait “ instantané ” de l’Univers. Un “
instantané ”, dans le langage photographique, c’est une vue qui fige un paysage en un instant précis de sa
durée. Ici nous sommes comme au sommet de la “ montagne du temps ”. Dans notre vision du monde, le
point le plus avancé dans le temps est celui où nous sommes. Tout autour, notre regard plonge dans le
passé. ”
c = 3,00 x 108 m/s
1.
Rappeler la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ?
2.
Exprimer une année lumière (a.l.) en mètres.
D = 9,47 x 1015 m
3.
Quelle est la vitesse du son dans l’air ?
v = 340 m.s-1
4.
Qu’est-ce qu’un quasar ?
Les quasars sont des astres distants, qui apparaissent comme des étoiles très brillantes
lorsqu'on les observe au télescope, mais dont on sait aujourd'hui qu'il s'agit de noyaux actifs de
galaxies lointaines. Au départ, leur découverte a été faite avec des radiotélescopes.
Les quasars sont les entités les plus lumineuses de l'univers.
On l’estime à 13,7 milliards d’années
5.
Quel est l’âge de l’univers ?
6.
Pourquoi ne peut-on pas avoir un portrait “ instantané ” de l’Univers ?
Les dimensions de l’Univers sont si grandes que malgré la rapidité de la lumière, il lui faut des
années pour parcourir ces distances donc on ne peut pas avoir un portrait « instantané » de
l’Univers.
7.
Expliquer la célèbre phrase d’Hubert Reeves « Voir loin, c’est voir dans le passé »
La lumière se propage à une certaine vitesse, il lui faut du temps pour parcourir une distance. Ce
que nous observons a donc eu lieu dans le passé. Plus nous observons loin : plus la distance qui
nous sépare de l’objet céleste est grande et plus le temps nécessaire à la lumière pour nous
parvenir est grand donc plus nous observons tôt dans l’histoire de l’univers.
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