Comment est-on parvenu à mesurer la célérité de la lumière ?

Leroux Chloé Lycée All
ende
Devos Alexandre Hérouville Saint Clair
Mottier Antoine
Olympiades de Physique
2004
Comment est-on parvenu à mesurer
la célérité de la lumière ?
C= 299 792 458 m/seconde

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Le mot de l’équipe de pilotage
Ce mémoire est le fruit de la collaboration de trois lycéens avec la Société Eldim,
Madame Piet et moi-même.
Cherchant à comprendre les différentes étapes qui ont permis aux scientifiques de
mesurer la vitesse de la lumière, ces trois élèves ont effectué des démarches
personnelles auprès du Musée des Arts et Métiers au cours de la 1ère S.
Grâce au matériel (laser He Ne…) et aux conseils de la Société Eldim d’Hérouville
Saint-Clair, les élèves ont réalisé un montage permettant d’évaluer eux-mêmes la
vitesse de la lumière ; ils ont aussi rencontré les différents problèmes propres à tout
montage d’optique et connu des échecs. Mais cette progression m’a encouragé à les
introduire au laboratoire d’optique de l’ENSI de Caen où ils ont participé à deux
expériences très enrichissantes.
Cette étude a été approuvée par le Conseil d’Administration du lycée Allende et
encouragée par Monsieur Garrec ,Président du Conseil Régional de Basse Normandie
. Une présentation du projet a été faite devant des élèves de Terminale S (TPE) et des
membres de l’Association Normande d’Astronomie ( ASNORA ).
Avec Madame Piet, nous avons eu beaucoup de plaisir à accompagner une équipe
aussi motivée, dynamique et nous les remercions d’avoir bien voulu nous intégrer à
cette recherche.
Nous sommes particulièrement sensibles au sérieux du travail de ces trois
candidats et nous sommes confiants pour la qualité de leur prestation lors de la finale
des Olympiades de la Physique en janvier 2004 à Paris.
Hérouville Saint Clair, le 6 janvier 2003.
Anne PIET René CAVAROZ
Correspondant Régional CLEA
pour la Basse Normandie.
CLEA Comité de Liaison Enseignants Astronomes.
[email protected]

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Sommaire
Introduction à la vitesse de la lumière page 4
? Chapitre I : XVIIe siècles Galilée pages 5-7
? Chapitre II : XVIIe siècle Römer pages 8-12
? Chapitre III : XIXe siècle Fizeau pages 13-15
? Chapitre IV : XIXe siècle Foucault pages 16-20
? Chapitre V : XXIe siècle notre expérience pages 21-27
? Annexe I : tableau récapitulatif page 28
? Annexe II : visite du musée des Arts et Métiers pages 29-30
? Annexe III : extrait du cahier de notes de Römer page 31
? Annexe IV : liste de tout le matériel utilisé pages 32-33
? Annexe V : mesure de la célérité de la lumière à l’aide d’un
réflectomètre à fibres optiques pages 34-35
? Annexe VI : Mesure de la célérité de la lumière par une
méthode de télémétrie par déphasage pages 36-37
Bibliographie page 38
Remerciements page 39

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Introduction
La vitesse de la lumière
La vitesse de la lumière est-elle infinie - on disait avant instantanée - ou est-
elle finie- on disait successive ? La question est très ancienne mais la réponse est
venue tardivement.
En effet, la vitesse de la lumière est si grande, près de 299 792 458 mètres
par seconde, que dans les conditions d'observation ordinaires la durée de
propagation de la lumière échappe totalement à nos sens. Durant l'Antiquité, il
semble que seul Empodocle d'Agrigente se singularise : pour les auteurs anciens, la
même conclusion est invariablement tirée : la lumière se manifeste instantanément. Il
en est presque de même au XVIIe siècle : la plupart des savants, Descartes en tête,
considèrent que la vitesse de la lumière est instantanée. Pourtant, un marginal
d'importance, Huygens, qui est le premier à développer une théorie ondulatoire de la
lumière, pense le contraire. La réponse qui viendra vite maintenant, d'abord par les
astronomes puis par les physiciens, lui donnera raison.
En janvier 1610, Galilée découvre les quatre premiers satellites de Jupiter. Ils
deviennent aussitôt l'objet d'observations nombreuses à travers toute l'Europe. En
1676, Römer, venu du Danemark à l'Observatoire de Paris, interprète les avances et
les retards des occultations des satellites de Jupiter par leur planète mère comme
étant dus aux variations de la distance entre Jupiter et la Terre. Pour Römer, la
vitesse de la lumière est certes très grande mais elle est finie. Cinquante ans plus
tard, un autre astronome, Bradley, découvre l'aberration annuelle des étoiles. Il
confirme ainsi de manière éclatante la découverte de Römer. Il faudra attendre le
milieu du XIXe siècle pour que deux physiciens, travaillant à l'Observatoire de Paris,
mesurent la vitesse de la lumière. L'un, Fizeau, la mesurera « au sol » entre
Suresnes et Montmartre, au moyen d'une roue dentée tournant rapidement, l'autre,
Foucault, en laboratoire, au moyen d'un miroir tournant. Les mesures de Foucault,
débouchent sur une valeur excellente.
Pourquoi un tel intérêt s'est-il manifesté autour de cette grandeur ? Alfred
Cornu soulignait par exemple que la question était trop importante pour qu'on ne
cherche pas à contrôler les résultats établis par ses prédécesseurs.
Depuis 1983, la vitesse de la lumière est maintenant une grandeur fondamentale
conventionnelle 299 792 458 m/s exactement qui sert à définir le mètre : « le mètre
est la longueur parcourue par la lumière pendant une durée de 1/ 299 792 548e de
seconde ».

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Chapitre I
XVIIe siècle : Galilée
Galileo Galilei, dit Galilée est né en 1564 à Pise, et est
mort en 1642 à Arcetri. C’est un des plus grands
physiciens et astronomes de son époque. Il découvrit
l’existence des taches solaires, des satellites de Jupiter
(nous détaillerons cette découverte
extraordinaire pour le monde
scientifique ultérieurement) et de
nombreuses autres planètes telles
que Saturne et Mars grâce à
l’amélioration d’une lunette
astronomique d’un grossissement remarquable pour l’époque. Galilée dut renier
toute sa théorie concernant le système héliocentrique de Copernic sous peine d’être
torturé par l’inquisition qui le condamna en juin 1633, pour motif d’hérésie, et qui
l’empêcha de publier tout ce qui concernait l’astronomie.
Avant sa condamnation, Galilée réalisa une de ses
plus célèbres expériences bien qu’elle fût un échec.
En effet, Galilée pensait déjà, à l’époque,
contrairement à de nombreux savants, que la
lumière ne se déplaçait pas instantanément. Il
chercha donc à mesurer la vitesse de propagation
de la lumière :
Pour cela son assistant et lui même se placèrent
sur deux collines différentes des environs de
Florence. Son assistant devait ouvrir sa lanterne au
moment où il verrait la lumière provenant de celle
de son maître ; Galilée pensait que si la lumière se propageait à une vitesse bien
définie, il devait apercevoir la lumière de son assistant avec un certain retard. Bien
sur Galilée n’obtint aucun résultat et en déduisit donc que la célérité de la lumière est
trop grande pour être mesurée avec son expérience. Il fallut attendre Römer et sa
méthode d’observation des satellites de Jupiter pour obtenir la première valeur de la
célérité de la lumière.
Malgré son échec on peut dire qu’il demeure un précurseur car c’est lui qui a
amené le problème de la détermination de la célérité de la lumière. C’est aussi grâce
à lui que Römer pût réaliser la première mesure spatiale de la vitesse de la lumière.
Galilée et sa lunette :
Entre 1608 et 1609 circulait en Hollande un curieux instrument d’optique
composé d’un tube et de deux lentilles. Vus à travers le tube, les objets
apparaissaient un peu plus proches et agrandis. Galilée perçut l’intérêt scientifique
de cet objet et entreprit très vite de le reproduire. Il parvint à construire son propre
appareil capable de grossir environ trois fois. Il utilisa l’instrument d’une manière tout
à fait différente de ses contemporains. Il le pointa vers le ciel, là où, d’après
l’astronomie traditionnelle de l’Antiquité, on ne devait avoir plus rien à découvrir.