Vitesse de la lumière – Cours – 4ème – Physique – Chimie – Collège
- Dans quels milieux la lumière peut-elle se propager ?
- À quelle vitesse la lumière se propage-t-elle ?
- Pourquoi indique-t-on un temps plutôt qu’une distance en astronomie ?
Lorsqu’on appuie sur l’interrupteur d’une ampoule, nous avons l’impression qu’elle s’allume instantanément.
La lumière du soleil nous parvient-elle instantanément ? Peut-on parler de vitesse de la lumière ?
Réponse : dès le XVII siècle, l’astronome danois Römer observe les éclipses du satellite Io de la planète
Jupiter et constate que l’instant ou le satellite entrait ou sortait du cône d’ombre de Jupiter se faisait en
avance ou en retard par rapport aux prévisions. Il a relié ces observations à la variation de la distance
entre la Terre et Jupiter. Il en déduit une valeur approximative de la vitesse de la lumière, 210 000 km par
seconde !
C’est une valeur tout à fait acceptable pour l’époque.
I. Les dimensions dans l’univers
1. la propagation de la lumière :
A l’échelle humaine la durée de propagation de la lumière est extrêmement courte mais ce n’est plus le cas à l’échelle de l’univers. La durée de propagation de la lumière est même utilisée pour comparer les distances qui séparent les astres. Voici quelques exemples significatifs.
- L’astre le plus proche de la Terre est la Lune qui est située en moyenne à 380 000 km. La lumière diffusée par la Terre met alors environ 1,3 s pour nous parvenir.
- Le Soleil est situé à environ 150 000 000 km et sa lumière met environ 8 minutes et 20 secondes pour nous parvenir.
- Les étoiles sont quant à elles beaucoup plus lointaine. Leur lumière met plusieurs années pour nous parvenir. La plus proche d’entre elles, Proxima du Centaure, nous fait parvenir sa lumière après 4,2 années de propagation.
2. Comment mesure-t-on la vitesse de la lumière ?
En utilisant des techniques plus modernes, des scientifiques de l’observatoire de Paris ont reproduit en 2005 l’expérience de mesure de la vitesse de la lumière réalisée par Hippolyte Fizeau en 1849. Ils ont effectué un tir de laser depuis l’observatoire, en direction de miroirs réflecteurs disposés à Montmartre. Le faisceau de lumière était alors renvoyé vers un détecteur placé à l’observatoire. Un système informatisé mesurait la durée de l’aller-retour de la lumière. Grâce à des mesures par GPS, l’institut Géographique National avait déterminé la distance entre le lieu de tir et les miroirs de Montmartre. En divisant le double de cette distance par la durée d’un aller-retour (11 km en 0,0366 s), les scientifiques ont pu alors calculer la vitesse de la lumière. Ils ont ensuite pu comparer leur résultat avec la valeur déjà connue de la vitesse de la lumière, qui est de 300 000 km/s.
3. La vitesse de la lumière est-elle la même dans tous les milieux transparents ?
Au début du XXe siècle, pour élaborer une théorie sur la nature de la lumière, les physiciens se trouvent confrontés à une question fondamentale : la vitesse de la lumière est-elle plus élevée dans l’eau ou dans l’air ? Ils connaissent déjà la vitesse de la lumière dans l’air, environ 300 000 km/s mais ils ne savent pas comment la mesurer dans l’eau.
En 1838, le physicien français François Arago imagine une expérience qui devrait lui permettre de répondre à la question. Hélas des problèmes de santé (perte de la vue) ne lui permettent pas de la réaliser.
Léon Foucault (1819-1868) reprend les travaux d’Arago et réalise cette expérience en 1850. Il trouve alors que la vitesse de La lumière dans l’eau vaut à peu près les trois quarts de la vitesse de la lumière dans l’air, soit 225 000 km/s.
Il existe d’autres milieux transparents que l’air, le vide et l’eau. Actuellement, on a mesuré la vitesse de la lumière dans tous les corps transparents. C’est dans le vide que la vitesse est la plus grande. Au début du XXe siècle, Albert Einstein, en établissant sa célèbre théorie de la relativité, montrera que cette vitesse de 300 000 km/s est en fait une limite supérieure que rien ne peut dépasser.
4) Comment mesurer des distances avec la lumière ?
Aujourd’hui, on mesure « facilement » la distance Terre-Lune en effectuant des tirs laser sur un réflecteur posé à la surface de la Lune. Un laser émet une impulsion lumineuse depuis la Terre vers un réflecteur posé sur le sol lunaire. Une partie du faisceau lumineux est réfléchie vers la Terre. La mesure de la durée t de son déplacement permet alors de calculer la distance d séparant la Terre et la Lune. La précision est de quelques centimètres.
Observation et interprétation :
La lumière se propage dans le vide et dans certains milieux matériels. C’est dans le vide que la vitesse de la lumière est la plus grande.
Conclusion :
La lumière se propage dans les milieux transparents: sa vitesse de propagation dépend du milieu qu’elle traverse.
II. Mesure d’une distance grâce à la lumière
En astronomie, on utilise une unité de longueur adaptée aux très grandes distances: l’année lumière (symbole: a.l.). C’est la distance parcourue par la lumière en une année dans le vide.
1 a.l = 9500 milliards de kilomètres
On peut ainsi exprimer les distances soit en km, soit en année lumière. L’utilisation des puissances de dix permet de simplifier l’écriture.
v = d / t où
v : est la vitesse de la lumière,
d : la distance parcourue
t : le temps de parcours.
La vitesse de la lumière dans quelques milieux transparents
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