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LA VITESSE DE LA LUMIERE ou CÉLÉRITÉ
PHOTON RAPIDE
La vitesse de la lumière dans le vide est une constante physique fondamentale dans tout l'univers, que l'on appelle " la célérité", pour son immatérialité. C'est la vitesse à laquelle le rayonnement électromagnétique se déplace dans le vide communément notée 300 000 kilomètres par seconde.
En physique célérité s'écrit "c".
La vitesse calculée précisément est :
299 792 458 mètres par seconde+/- 1m, soit 1 079 252 848.800 km/h
JOUONS AVEC DES CHIFFRES ASTRONOMIQUES
Sur la base de 300 000 km/s amusons nous à calculer la distance parcourue en :
1minute :
299 792,458 X 60 = 17 987 547,480 km
1 heure :
299 792,458 X 60 X 60 = 1 079 252 848,800 km
1 jour :
299 792,458 X 60 X 60 X 24 = 25 902 068 371,200 km
1 année:
299 792,458 X 60 X 60 X 24 X 365,25 = 9 460 730 472 580,800 km c'est l'année lumière
Combien de temps met la lumière du soleil pour arriver jusqu'à nous ?
150 000 000 / 299 792.458 = 500 s => 8,33 mn
Sachant que l'étoile la plus proche de nous, Proxima du Centaure, est à 39 900 000 000 000 km, quel est l'âge de l'image que nous voyons depuis la Terre ?
39 900 000 000 000 / 9 460 730 472 580.800 = 4,22 ans = 1 541 j
UNE VITESSE VARIABLE SELON LE MILIEU TRAVERSÉ
La célérité de la lumière varie selon le milieu transparent ou translucide qu'elle traverse. On parle alors de vitesse relative que l'on mesure en Indice de réfraction dont le symbole en physique est " n ".
Ce phénomène a été découvert en 1850 par Jean Foucault.
La valeur de l'indice de réfraction est le quotient du rapport célérité et vitesse dans le milieu traversé.
L'indice de réfraction n’a pas d’unité car c’est le rapport de deux vitesses.
Plus la lumière est ralentie, plus la matière a un indice de réfraction élevé.
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Par définition, le vide a un indice 1 car C / C = 1
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L’air a un indice autour de 1.0008 mais on le considère souvent égal à 1. L’indice de l’air varie suivant la température, l’humidité et la pression ;
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L'eau pure a un indice de réfraction de 1.3300 ;
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Les verres ont un indice de réfraction variable fonction de leur composition chimique, 1.5000 à 1.7400 pour les verres organique et 1.5200 à 1.9000 pour les verres minéraux.
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L'alcool éthylique : IR = 1.2500
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La glycérine : IR = 1.4700
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L'huile minérale : IR = 1.4800
L'indice de réfraction est utilisé en minéralogie et surtout en gemmologie comme critère de détermination de l'espèce étudiée. L'appareil utilisé pour mesurer l'indice de réfraction est le réfractomètre.
voir la page IR et réfractomètre.
UN PEU D'HISTOIRE
Christopher Todd Donahue
Dès l'antiquité scientifiques et philosophes émettaient des théorie sur état, que certains pensaient variable et d'autres finie.
1629, Isaac Beeckman tente une expérience, puis 1635 c'est Galilée, ce sont des échecs.
C'est en 1676 que Ole Christensen Rømer, astronome danois, de l'Observatoire de Paris, démontre qu'elle est finie, il est le premier à tenter de la mesurer.
En 1849 Hippolyte Fizeau, physicien français, 1819-1896, fait une expérience pour mesurer cette vitesse, Reproduisant cette expérience en 1850 Jean Bernard Léon Foucault obtient un résultat proche de la célérité calculée avec nos moyens modernes.
Le principe de l'expérience est le suivant :
La roue dentelée (Z) est en rotation, le faisceau de la source lumineuse (L) est réfléchie par le premier miroir semi-transparent (S1), elle franchit une encoche de la roue, parcourt la distance d, se réfléchit sur un miroir très éloigné (S2), puis parcourt à nouveau la distance d, et arrive à nouveau sur une dent de la roue.
La mesure temps t qu’il a fallu à la roue pour devenir bloquante, à partir de sa vitesse de rotation enregistrée par l’appareil, et de la distance parcourue connue : "2d", l’on peut calcule la vitesse de la lumière c.
Quand on dépasse les 12 tours par seconde, à environ 12,6 tours/s, le temps que la lumière met pour parcourir la distance Suresnes-Montmartre-Suresnes, 17,266 km, est égal à la durée exacte de passage dans le faisceau lumineux d’une échancrure de la roue à la dent qui la suit.
Ainsi, la lumière qui traverse la roue à l’aller par une échancrure, est bloquée à son retour par la dent suivante. Le faisceau est occulté et ne parvient plus à l'observateur. On a déterminé avec les compteurs, la vitesse de rotation de la roue qui permet à la lumière de traverser une première fois la roue mais d'être occultée à son retour.
Reliant la vitesse de rotation de la roue à la somme des deux distances parcourues (2d), on détermine le temps t que met la lumière à parcourir le trajet. Cette durée correspond au temps t' qu’a mis la lumière pour parcourir 17,266 km.
Ce temps t' permet de calculer la vitesse c de la lumière, en divisant la distance par le temps.
Méthode de calcul utilisée par Fizeau.
t est le tempsque met la lumière pour parcourir l'aller-retour sur la distance d à la vitesse inconnue c.
La roue dentée possède 720 dents et 720 creux de dimensions identiques, soit 1440 secteurs angulaires identiques. Lorsque le dispositif bloque la lumière au retour, c'est que la roue a avancé d'un secteur (passant ainsi d'un creux à la dent suivante) pendant le temps de trajet, soit 1/1440 de tour.
Pour une fréquence de rotation f, en tours par seconde, il faut 1/f secondes par tour, et le temps t' passé pour avancer de 1/1440 de tour est
Sachant que t = t', et sachant que d = 8 633 mètres et la vitesse de rotation de la roue est 12,6 tours par seconde, alors la vitesse c est
Hyppolite Fizeau compila les résultats de 28 observations et obtint une moyenne de 315 300 km/s. Soit une erreur d’environ 5%, la vitesse, officiellement mesurée aujourd'hui, étant de 299 792 km/s.
Appareillage de Fizeau en 1850.
Photo, musée de l'école polytechnique.