Mesure d'une durée pour déterminer la célérité de la lumière
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Cette propriété de la lumière permet d'effectuer des mesures dans l'espace : pour déterminer la célérité (vitesse) de la lumière, il faut mesurer la durée de propagation de l'onde sur une certaine distance et appliquer la relation, v = d/t.
Vers 1600, Galilée tente vainement de mesurer la durée de propagation d'un signal grâce à des lanternes à caches tenues par des observateurs en haut de collines. Mais, la célérité de la lumière est trop grande et la durée de propagation de l'onde lumineuse trop petite pour être mesurée.
En 1676, l'astronome danois Ole Römer mesure
une vitesse de la lumière de 212 000
km.s-1, à partir de
l'observation des éclipses de Io,
satellite de Jupiter.
En effet, il expliqua les irrégularités des
éclipses de ce satellite en admettant que la
propagation de la lumière entre Jupiter et la Terre
n'est pas instantanée et que selon les positions
respectives du Soleil, de la terre et de Jupiter, la durée
de parcours de la lumière n'est pas identique.
En 1849, Hippolyte Fizeau réussit la
première mesure terrestre de la
célérité de la lumière et
obtient la valeur de 299 000 km.s-1.
Il utilisa un disque de 720 dents :
Le faisceau incident de lumière passe pendant le court laps de temps pour lequel aucune dent n'interrompt le faisceau. Cette lumière parcourt la distance de 8 633 m, de Montmartre au Mont Valérien, puis est réfléchie par un miroir et parcourt la même distance en sens inverse.
La vitesse de rotation du disque est alors réglée de façon telle que la lumière réfléchie n'atteigne pas l'observateur car elle est alors arrêtée par une dent : la vitesse de rotation minimale est de 12,6 tours par seconde soit une durée d'ouverture de 55,1 μs.
Un oscilloscope permet la mesure du temps de propagation de
l'onde lumineuse en permettant de visualiser le
décalage temporel entre les
impulsions émises et reçues, de
l'ordre de la μs pour une fibre de 25 m.
On obtient une vitesse de 2.108
m.s-1 pour la propagation de la
lumière dans le verre.
c = 299 792 458 m.s-1 ≈ 3. 108 m.s-1
dans le vide
cette valeur constitue actuellement une constante physique.
vlumière (verre) = 2. 108 m.s-1
vlumière (eau) = 2,26. 108 m.s-1
0n note c, la célérité de la lumière dans le vide ou dans l'air (valeurs quasiment identiques).
La célérité de la lumière dans
un milieu transparent homogène notée
vlumière est définie par
rapport à l'indice de réfraction n de ce milieu :
L'indice de réfraction d'un milieu transparent est
toujours supérieur à 1 (indice du vide), pour
l'air : n = 1,00028 ≈ 1 (pas d'unité).
n(eau) = 1,33.
La célérité de la lumière,
identique quelle que soit la fréquence de l'onde
lumineuse, peut être déterminée grâce
à la durée de propagation de l'onde d'un
émetteur à un récepteur situés
à une distance d connue, grâce à la
relation :
La vitesse de la lumière dépend du milieu
transparent homogène de propagation avec pour
référence la célérité de la
lumière dans le vide :
qui correspond à un indice de réfraction n = 1.
Pour les autres milieux :
n = c / vlumière.
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