Exercice

La propagation de la lumière a longtemps été considérée comme instantanée. L’observation par Galilée des satellites de Jupiter a toutefois ouvert la voie aux premières tentatives de mesure de la vitesse de la lumière dans le vide.

Doc. 1 Mesure historique de la vitesse de la lumière par Römer (1676)

L’astronome danois Ole Römer a effectué à Paris la première mesure de la vitesse de la lumière en 1676. Il a observé l’éclipse de Io, satellite de Jupiter. Sur la figure, on voit l’orbite de Io qui entre dans le cône d’ombre de Jupiter (immersion) et en sort (émersion) ; on voit aussi le Soleil et l’orbite de la Terre. Entre deux émersions successives de Io, la Terre se déplace de L à K. Lorsque la Terre est en K, Römer a observé la deuxième émersion de Io en retard de plusieurs minutes : en effet, la lumière issue de Io a parcouru la distance supplémentaire LK. Il en a déduit que la propagation de la lumière n’était pas instantanée, et il a calculé la vitesse de celle-ci : environ 212 000 km/s.

Des astronomes ont depuis tenté de reproduire la démarche de Römer pour estimer la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide. Les résultats de ces mesures sont regroupés dans le document 2.

1 Pour chacune des affirmations suivantes, cocher la (ou les) bonne(s) réponse(s).

a. Jupiter, la Terre et Io sont :

□ des sources primaires de lumière

□ des objets diffusants

b. Dans l’espace, considéré comme homogène :

□ la lumière et le son se propagent en ligne droite

□ la lumière se propage en ligne droite

□ le son se propage en ligne droite

c. Pour modéliser la propagation de la lumière entre Io et la Terre lorsque Io est aperçu depuis la Terre, on représente un rayon lumineux orienté :

□ de la Terre vers Io

□ de Io vers la Terre

d. Un élève souhaite faire une maquette de cette expérience en utilisant des lasers pour simuler les faisceaux lumineux.

□ Les lasers peuvent être manipulés sans précaution particulière.

□ La lumière issue d’un laser ne doit pas entrer dans l’œil.

□ Il ne faut pas manipuler les lasers.

e. Dans le document 2, la durée t correspond à une propagation de la lumière sur la distance :

□ Io-Terre

□ KL

□ Soleil-Terre

2 Sur quelle observation astronomique Römer a-t-il basé ses calculs ?

Qu’appelle-t-on émersion et immersion ?

3 En utilisant les données du document 2, déterminer la valeur de la vitesse de propagation de la lumière ν_lumière déduite de la reconduction de l’expérience de Römer. Comparer cette valeur à celle trouvée par Römer et à la valeur admise actuellement, c = 3,00 × 10⁵ km/s.