Phys. N° 02

Lumière et mesure

des distances.

Cours.

   


 

Programme 2010 : La lunière des étoiles

Programme 2010 : Physique et Chimie


I- Propriétés de la lumière.

1)- Principe de propagation rectiligne

de la lumière.

2)- Vitesse de propagation de la lumière.

3)- L'année de lumière : l.a.

4)- Voir loin, c'est voir dans le passé.

II- Application à la propagation.

1)- La visée.

2)- Mesure des distances.

3-) Mesure d'angles et diamètre apparent.

4)- Applications.

5)- Mesure d'angles et parallaxe.

III- Vitesse de propagation et 

mesure des distances.

1)- Principe d'une mesure à partir d'un écho.

2)- La diffraction.

3)- Le microscope.

IV- Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices :

Exercices (énoncé et correction)

TP Physique N° 02 Détermination de l'épaisseur d'un cheveu

TP physique N° 03 - Vous visez quoi?...Comment?...Pour quoi faire?

TP physique N° 03 - Vous visez quoi?...Comment?...Pour quoi faire? 2006

 

QCM :
L'Univers (Questy)
L'Univers (Tableau)

L'Univers du très petit au très grand (Questy)

L'Univers du très petit au très grand (Tableau)

 

Exercices (énoncé et correction)

Exercices 2007-2008

 Physique et Chimie  seconde 

Collection DURANDEAU   HaCHETTE

Exercice 5 page 38

Exercice 6 page 38

Exercice 9 page 38

Exercice 13 page 40

Physique et Chimie  seconde 

Collection Microméga   Hatier

Ancienne édition

Exercice 22 page 195

Exercice 23 page 195

Exercice 26 page 195

Pour aller plus loin : 

Mots clés :

La lumière ; propagation de la lumière, vitesse de la lumière dans le vide ; le rayon lumineux ; la visée ; l'année de lumière ; Thalès ; le télescope de Hubble ; l'origine de l'Univers ; le big-bang ; ...

 

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I- Propriétés de la lumière.

1)- Principe de propagation rectiligne de la lumière.

Expérience :

-   Laser et différentes sources de lumière.

 

-   La lumière se propage en ligne droite dans tout milieu transparent homogène (comme l’air, l’eau et le vide).

-   Le trajet suivi par la lumière peut être modélisé par une ligne droite fléchée dans le sens de la propagation.

-   Ce modèle de représentation s’appelle le rayon lumineux.

2)- Vitesse de propagation de la lumière.

-    En 1674, étudiant les éclipses de la planète Jupiter sur son satellite Io,

-    Le Danois Römer donne une première estimation de la vitesse de la lumière dans le vide.

-    La valeur fixée pour la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est : 

  c = 299792458 m / s   

-    C’est une constante Universelle.

-    Cette vitesse est une vitesse limite.

-    Aucun objet matériel ne peut atteindre cette vitesse dans le vide.

-    En pratique, on donne à cette vitesse une valeur approchée :

  c 3,00 x 10 8 m / s  

 

-    Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.

-    La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide.

  c air c 3,00 x 10 8 m / s  

3)- L’année de lumière : a.l.

-    L’année de lumière est la distance parcourue par la lumière en une année.

-    Une distance d est une vitesse multipliée par une durée : d = v . Δt

-    Unités : d (m), v (m / s) et Δt (s)

-    Donner un ordre de grandeur de cette distance en mètres.

-    1 a.l = 3,00 x 10 8 x 365,25 x 24 x 3600

-    1 a.l 10 11 x  20 x 4000

-    1 a.l 8 x 10 15 m

-    1 a.l 10 16 m

-    L’année de lumière est bien une unité de distance.

-    L’étoile Proxima du Centaure (étoile la plus proche du Soleil) est située à 4,2 a.l de la Terre.

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-    Que peut-on déduire de cette donnée ?

4)- Voir loin, c’est voir dans le passé.

-    Plus nous observons loin dans l’espace et plus nous regardons dans le passé.

-    La nébuleuse d’Orion se situe à 1800 a.l de la Terre.

-    La lumière provenant d’Orion met 1800 ans pour nous parvenir.

-    Cette lumière a été émise à l’an 200 (époque Gallo-Romaine).

-    Grâce au télescope Hubble, (24 avril 1990), les astronomes parviennent à déceler des étoiles dans l’état où elles étaient, il y a 10 milliards d’années.

-    La limite de ce qu’il est possible d’observer (l’horizon cosmologique) se situe à environ 15 milliards d’années de lumière (naissance de l’Univers, origine de l’Univers, big-bang).

II- Application à la propagation.

1)- La visée.

-    Réaliser une visée, c’est aligner plusieurs objets avec son œil.

-    En physique, l’intérêt de la visée est de permettre la construction d’une figure géométrique constituée de droites.

-    En appliquant le théorème de Thalès à cette figure géométrique, on peut évaluer la valeur de certaines distances et de certains angles.

2)- Mesure des distances.

-    détermination de la hauteur d’un arbre.

-    Représentation de la situation : schéma.

-     Pour effectuer la visée, on utilise le principe de propagation rectiligne de la lumière.

-    Les droites (PM) et  (P’M’) étant parallèles, on utilise le théorème de Thalès :

-       (1)

-    On en déduit la formule littérale suivante :

-   

3)- Mesure d’angles et diamètre apparent.

Définition du diamètre apparent d'un objet :

-  On appelle diamètre apparent d’un objet, l’angle dont le sommet est l’œil d’un observateur en un lieu donné et dont les côtés passent par les bords les plus éloignés de l’objet.

-    Schéma :

-    On peut s’intéresser au cas d’une pièce de monnaie dont on veut connaître le diamètre apparent.

-    La distance angulaire entre les points A et B est l’angle sous lequel on voit ces deux points.

-    Remarque :

-    Si le diamètre apparent, noté α, est petit (moins de 10 °), on peut le calculer à l’aide de l’expression approchée suivante :

-   

-    Cette expression est valable pour la figure suivante :

-   

-    Question : Que peut-on dire du diamètre apparent de la Lune et du Soleil ?

-    Pourquoi peut-on observer une éclipse totale de Soleil dans certaines conditions ?

4)- Applications.

a)- Calcul du rapport distance Terre-Lune et distance Terre-Soleil.

-    Le diamètre réel du Soleil est 400 fois plus grand que celui de la Lune.

-    Déterminer la valeur du rapport distance Terre-Lune et distance Terre-Soleil.

-    En déduire la valeur de la distance Terre-Lune sachant que la distance Terre-Soleil est égale à 150 millions de km.

-    Solution :

-    Schéma de la situation :

-    Les droites (MP) et (M’P’) sont parallèles.

-    D’après le théorème de Thalès, on peut écrire la relation suivante :

-   

-    Distance Terre-Lune :

-   

b)- Exercice 17 page 194.

-    Quel est le diamètre apparent d’un disque de diamètre 1 m placé verticalement à 110 m d’un observateur ? Faire un schéma.

-    Diamètre apparent du disque.

-    La situation permet d’utiliser la relation suivante :

-    

-    Valeur de α :

-    

-    Sachant que ce diamètre apparent est approximativement le même que celui de la Lune vue de la Terre,

-    en déduire le diamètre réel de la Lune connaissant la distance Terre-Lune (3,84 x 105 km)

-    En utilisant le même raisonnement que précédemment, on peut utiliser le théorème de Thalès :

-   

5)- Mesure d’angles et parallaxe.

-    La parallaxe est l’angle p entre les deux visés d’un objet ponctuel.

-    En astronomie : La parallaxe p d’une étoile est la moitié de l’angle entre deux visées effectuées à 6 mois d’intervalle.

-    C’est l’angle sous lequel on pourrait voir le rayon de l’orbite terrestre depuis l’étoile.

-    Pour viser une étoile, il faut une direction de référence.

-    On choisit le plus souvent une étoile lointaine supposée fixe.

-    La direction donnée par cette étoile est fixe.

-    On remarque que : 2 p = α + β avec α qui représente l’angle obtenu lors de la première visée et β l’angle obtenu lors de la deuxième visée.

-    Cette méthode permet de déterminer la distance qui sépare une étoile de la Terre.

-    On peut écrire dans le triangle rectangle EST :

-   

-    C’est l’allemand Bessel qui a appliqué cette méthode pour la première fois en 1838 pour une étoile de la constellation du Cygne.

III- Vitesse de propagation et  mesure des distances.

1)- Principe d’une mesure à partir d’un écho.

a)- L’écho laser.

-    En 1969, lors de la mission Apollo XIV, Neil Armstrong et Edwin Aldrin ont déposé, à la surface de la Lune un réflecteur laser.

-    Ce réflecteur laser permet de renvoyer vers la Terre des faisceaux d’impulsions laser tirés de centre d’études comme (Le CERGA près de Grasse ou la station Mac Donald au Texas).

-    Une impulsion laser est un signal lumineux très bref.

-    On mesure avec une grande précision la durée mise par cette impulsion pour effectuer un aller-retour Terre-Lune.

-    Exercice :

-    Lors d’un tir d’impulsion laser, la valeur de la durée pour un aller-retour Terre-Lune est τ 2,65 s.

-    Déterminer la distance Terre-Lune au moment de la mesure (c 3,00 x 10 8 m / s).

-    On utilise le principe de propagation rectiligne de la lumière.

-    Soit D la distance Terre-Lune.

-   

b)- L’écho sonar.

-    Dans ce cas, on utilise des signaux acoustiques : les ultrasons.

-    La vitesse de propagation est de 330 m / s environ dans l’air et de 1500 m / s dans l’eau.

-    Cette technique est bien adaptée aux mesures des distances usuelles sur Terre.

-    Le sonar permet de mesurer la profondeur des fonds marins et de détecter les obstacles.

2)- La diffraction (TP Physique N° 02).

-    On utilise un jeu de fils de longueur connue.

-    On trace une courbe d’étalonnage donnant la largeur de la tache centrale en fonction du diamètre du fil.

-    Cette courbe permet de déterminer le diamètre d’un objet très fin à partir de sa tache de diffraction.

-    Tache de diffraction :

3)- Le microscope.

-    Un microscope optique est constitué d’un système de lentilles optiques fournissant des images agrandies des objets.

-    À l’aide d’une lame de verre graduée portant des divisions égales, on peut déterminer les dimensions d’un objet invisible à l’œil nu.

-    Sa limite de résolution est de 0,2 μm.

-    Microscope électronique : limite de résolution : 0 ,2 nm

-    Microscope à effet tunnel : 10 pm.

IV- Applications.

 

1)- QCM :

QCM :
L'Univers (Questy)
L'Univers (Tableau)

L'Univers du très petit au très grand (Questy)

L'Univers du très petit au très grand (Tableau)

2)- Exercices :

Exercices (énoncé et correction)

Exercices 2007-2008

 Physique et Chimie  seconde 

Collection DURANDEAU   HaCHETTE

Exercice 5 page 38

Exercice 6 page 38

Exercice 9 page 38

Exercice 13 page 40

Physique et Chimie  seconde 

Collection Microméga   Hatier

Ancienne édition

Exercice 22 page 195

Exercice 23 page 195

Exercice 26 page 195