Cours de tleS – Mesure du temps, horloges atomiques – Terminale
Le temps atomique est une échelle internationale. Comment a-t-il été défini ? Comment est-il mesuré ? Quelle est l’utilisation des horloges atomiques ?
Mesure du temps
Horloge mécanique :
La mesure du temps se ramène au décompte d’un nombre de processus élémentaires qui se produisent toujours à l’identique. On peut donc considérer que si l’on dispose d’un oscillateur mécanique parfaitement périodique, le processus élémentaire est formé par un cycle du mouvement. La durée élémentaire est alors T, la période de l’oscillateur.
Une horloge mécanique contient un oscillateur mécanique et un système de comptage des cycles : lorsque le compteur indique un nombre entier n, la durée du phénomène mesuré vaut nT, T étant la période de l’oscillateur.
Ainsi, un pendule simple sans frottement dont la longueur du fil vaut :
forme le balancier d’une horloge qui, dans le champ de pesanteur effectue un balancement complet en
Comme les frottements sont inévitables dans un dispositif mécanique, on recourt à un système d’entretien des oscillateurs : à chaque cycle, une source d’énergie (pile, ressort spiral) restitue à l’oscillateur une énergie exactement égale à celle dissipée par les frottements.
Le temps atomique
Le temps atomique est une échelle de temps basée sur la définition de la seconde.
Définition de la seconde:
La seconde (s) est l’unité de la mesure du temps dans le système international (S.I.).
La seconde est une des sept unités principales du système international d’unités (S.I.).
La seconde a été définie en 1967 lors de la 13e Conférence générale des poids et mesures.
Le temps universel (TU ou UT):
Le temps universel (TU ou UT) est une échelle de temps basée sur la rotation de la Terre.
La mesure du temps universel se fait en observant chaque jour le passage d’objets célestes (étoiles) au-dessus du méridien du lieu d’observation.
Le temps universel est mesuré avec une précision de l’ordre de la microseconde.
Le temps atomique (TAI):
La rotation de la Terre n’étant pas parfaitement régulière, le temps universel est maintenant régulé à partir du temps atomique.
Le temps atomique international (TAI) est une échelle de temps basée sur la seconde et il est établi par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Il est mesuré à l’aide d’horloges atomiques.
Le temps atomique est mesuré avec une précision inférieure à 10-14 s.
Le temps universel coordonné (UTC):
Le temps universel coordonné (UTC) est l’échelle de temps à partir de laquelle les fréquences de référence et les signaux horaires sont disséminés dans le monde de manière coordonnée.
L’échelle de temps UTC est ajustée en insérant des secondes intercalaires afin de garantir un accord approximatif avec le temps universel (basé sur de la rotation de la Terre) et le temps atomique (basé sur des horloges atomiques).
Les horloges atomiques
Le temps atomique est mesuré à l’aide d’horloges atomiques.
Les horloges à jet de césium :
- Principe de fonctionnement :
Une enceinte chauffée contient du césium 133.
Un signal de fréquence égale à f = 10 MHz, créé par un quartz piézoélectrique, est injecté dans une cavité résonante.
Un jet d’atomes de césium dans un état d’énergie E1 est injecté dans l’enceinte, et subit la transition énergétique de fréquence f0 = 9 192 631 770 Hz en passant vers un état d’énergie E2.
Un capteur placé en sortie, produit un signal proportionnel au nombre d’atomes reçus. Un système d’asservissement ajuste la fréquence de l’oscillateur à quartz sur la fréquence optimale f0.
Le système décompte alors le temps par l’intermédiaire d’un circuit électronique.
Les horloges à atomes froids:
PHARAO (projet d’horloge atomique à refroidissement d’atomes en orbite) est une horloge atomique élaborée par le CNES.
Cette horloge, embarquée à bord de satellites, ou en situation de microgravité, permet d’améliorer encore la stabilité du système.
Utilisation des horloges atomiques:
Les horloges atomiques ont de nombreuses utilisations dans le quotidien et en recherche.
Les horloges atomiques sont utilisées pour définir le temps international en définissant l’heure dans chacun des fuseaux horaires.
La mesure de plus en plus précise du temps a permis des avancées dans de nombreux domaines scientifiques.
On trouve aussi par exemple des horloges atomiques embarquées dans les satellites du système GPS (géolocalisation par satellite). La synchronisation des signaux qui sont envoyés est donc réglée par des horloges avec une excellente précision.
Les horloges atomiques sont aussi utilisées en spectroscopie, en géodésie, en astronomie, astrophysique, dans le domaine des télécommunications (diffusion d’émission de radio et de télévision, téléphonie,…).
Enfin, les horloges atomiques ont permis de mettre en évidence la théorie de la relativité.
