Mesure de la vitesse de la lumière

Mesure de la vitesse de la lumière
La cellule photoélectrique , Jean Terrien Puf, 1959
pp. 121-124
Texte et TEST
Mesure de la vitesse de la lumière
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1) Vous pouvez lire le texte d’abord
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2) Ou directement commencer par les pages 5 et 6.
Les réponses sont mises en évidence aux pages 7 et 8.
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TEXTE
Depuis Römer, qui avait déduit la vitesse de la lumière de l’observation des éclipses des
satellites de Jupiter, depuis Fizeau, qui a mesuré cette vitesse sur terre par la méthode de la roue
dentée, et Foucault qui a imaginé la méthode du miroir tournant, l’intérêt théorique de la vitesse de
la lumière n’a cessé de croître. Le nombre qui mesure cette vitesse est égal au rapport des unités
électromagnétique et électrostatique de quantité d’électricité; la relativité nous a appris que c’était
la vitesse limite qu’aucun signal ne pouvait dépasser; elle nous a appris aussi que 1 g de matière
renferme une énergie mesurée par le carré de la vitesse de la lumière, soit 1021 ergs, ou 30
millions de kilowattheures; c’est une petite partie de cette énergie qui se manifeste lors de
l’explosion d’une bombe atomique, et qui entretient le feu du soleil depuis des milliards d’années.
Aussi est-il naturel que l’on cherche toujours à mesurer la vitesse de la lumière avec encore plus
de précision.
Une méthode, employée par Anderson puis par Bergstrand, utilise un photomultiplicateur
et de la lumière modulée à très haute fréquence. Cette modulation est obtenue au moyen d’une
cellule de Kerr, l’obturateur à réponse quasi instantanée dont nous avons déjà parlé, sur laquelle
on applique la tension d’un oscillateur électrique à haute fréquence; la lumière est interrompue 20
millions de fois par seconde, et des paquets de lumière se succèdent à une distance de 15 m,
courant les uns derrière les autres à une vitesse de 300 000 km/seconde environ, vitesse qu’il
s’agit de mesurer exactement. On sait mesurer, avec une erreur inférieure au millionième, la
fréquence des interruptions, c’est-à-dire le nombre des trains de lumière qui traversent l’obturateur
pendant chaque seconde; si l’on peut mesurer la distance qui les sépare dans leur course, il est
clair que leur vitesse sera le produit de cette distance par la fréquence. Voici une façon de
procéder.
Supposons que cet intervalle entre les trains successifs de lumière soit exactement 15 m.
Offrons à la lumière deux trajets repliés sur eux-mêmes, de longueur différente, la différence étant
15 m : le faisceau sortant de l’obturateur de Kerr se divise en deux sur une lame semitransparente (cf. figure), et pendant qu’un train de lumière parcourt le trajet le plus long et revient
sur lui-même, le train suivant parcourt le trajet le plus court. Ces deux trains consécutifs se
retrouvent donc après avoir suivi chacun un trajet différent, et ils se recouvriront exactement si les
trajets diffèrent exactement de l’intervalle qui les séparait initialement. Si l’on ajoute au plus grand
trajet un demi-intervalle, un train viendra se placer au milieu de l’intervalle des deux autres. C’est
ce que l’on cherche à mettre en évidence au moyen d’une cellule à multiplication d’électrons sur
laquelle on superpose les faisceaux partiels ayant cheminé par les deux trajets. On ajuste
systématiquement leur différence de longueur de façon à rendre minimum les fluctuations
périodiques de la lumière sur la cellule. A ce moment, la différence des trajets est 1,5 fois (ou 2,5
ou 3,5) fois l’intervalle de deux trains. Le choix de l’entier est facile; la fréquence étant connue, et
étant mesurée en mètres la longueur de chacun des trajets, leur différence, multipliée par la
fréquence de la cellule de Kerr, et divisée par 1,5 (ou 2,5, ou 3,5) donne la vitesse de la lumière.
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La meilleure valeur actuelle est 299 792 km/seconde, avec une incertitude de quelques
km/seconde.
Inversement, la vitesse de la lumière étant connue, on peut mesurer une distance par le
temps que met la lumière à la parcourir. Bergstrand a mis au point un “géodimètre” qui sert pour la
mesure précise des bases géodésiques et fonctionne sur ce principe. Malgré le travail de nuit, son
emploi est commode dans les pays montagneux, lorsque les extrémités de la base à mesurer sont
séparées par des ravins inaccessibles.
Jean Terrien,
La cellule photoélectrique
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Puf, 1959
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TEST
Exercice de style et de lexique. Compléter chaque espace :
Mesure de la vitesse de la lumière
Depuis Römer, qui avait (verbe pour “la déduction”) __________ la vitesse de la lumière de
l’observation des éclipses des satellites de Jupiter, depuis Fizeau, qui a mesuré cette vitesse sur
terre par la méthode de la roue dentée, et Foucault qui a imaginé la méthode du miroir tournant,
l’intérêt théorique de la (voir titre)_____________ de la lumière n’a cessé de croître. Le nombre qui
mesure cette vitesse est égal au rapport des unités électromagnétique et électrostatique de
quantité d’électricité; la relativité nous a appris que c’était la vitesse limite qu’(particule de la négation)
_________ signal ne pouvait dépasser; elle nous a appris aussi que 1 g de matière renferme une
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énergie mesurée par le carré de la vitesse de la lumière, soit 10 ergs, ou 30 millions de
kilowattheures; c’est une petite partie de cette énergie qui se manifeste (contemporanéité = durant)
_______ de l’explosion d’une bombe atomique, et qui entretient le feu du soleil (loc. temporelle = qui
dure ; utilisée 2 fois dans les lignes précédentes) ___________ des milliards d’années. __________ (mot qui
justifie l’inversion du verbe et du sujet) est-il naturel que l’on cherche toujours à mesurer la vitesse de la
lumière avec encore plus ______ précision.
Une méthode, employée par Anderson puis par Bergstrand, utilise un photomultiplicateur
et de la lumière modulée à très haute fréquence. Cette modulation est obtenue ( = avec) au
___________ d’une cellule de Kerr, l’obturateur à réponse quasi instantanée dont nous avons
déjà parlé, sur laquelle on applique la tension d’un oscillateur électrique à haute fréquence; la
lumière est interrompue 20 millions de _______ par seconde, et des paquets de lumière se
succèdent à une distance de 15 m, courant les uns derrière les autres à une vitesse de 300 000
km/seconde environ, vitesse qu’il _________ (impersonnel pour : “être question de”) de mesurer
exactement. On sait mesurer, avec une erreur inférieure ______ millionième, la fréquence des
interruptions, c’est-à-dire le nombre des trains de lumière qui traversent l’obturateur pendant
chaque seconde; si l’on peut mesurer la distance qui les sépare dans leur course, il est clair que
leur vitesse sera le produit de cette distance ______ la fréquence. _________ (présentatif) une
façon de procéder.
Supposons que cet intervalle entre les trains successifs de lumière ________ exactement
15 m. Offrons à la lumière deux trajets repliés sur eux-mêmes, de longueur différente, la
différence étant 15 m : le faisceau sortant de l’obturateur de Kerr se divise en deux sur une lame
semi-transparente (cf. figure), et pendant qu’un train de lumière parcourt le trajet le plus long et
revient sur lui-même, le train suivant parcourt le trajet le plus court. Ces deux trains consécutifs se
retrouvent donc après avoir suivi __________ un trajet différent, et ils se recouvriront exactement
si les trajets diffèrent exactement de l’intervalle qui les séparait initialement. Si l’on ajoute au plus
grand trajet un demi-intervalle, un train viendra se placer au milieu de l’intervalle des deux autres.
C’est ce que l’on cherche à mettre en évidence au moyen d’une cellule à multiplication d’électrons
sur laquelle on superpose les faisceaux partiels (p. présent : avoir) __________ cheminé* par les
deux trajets. On ajuste systématiquement leur différence de longueur de façon à rendre minimum
les fluctuations périodiques de la lumière sur la cellule. A ce moment, la différence des trajets est
1,5 fois (ou 2,5 ou 3,5) fois l’intervalle de deux trains. Le choix de l’entier est facile; la fréquence
(p. présent : être) ___________ connue, et (p. présent : être) ___________ mesurée en mètres la
longueur de chacun des trajets, leur différence, multipliée par la fréquence de la cellule de Kerr, et
divisée par 1,5 (ou 2,5, ou 3,5) donne la vitesse de la lumière.
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La meilleure valeur actuelle est 299 792 km/seconde, avec une incertitude de (it = qualche)
____________ km/seconde.
Inversement, la vitesse de la lumière étant connue, (indéfini) ________ peut mesurer une
distance par le temps que met la lumière à la parcourir. Bergstrand a mis au point un “géodimètre”
qui sert pour la mesure précise des bases géodésiques et fonctionne sur ce principe. Malgré le
travail de nuit, son emploi est commode dans les pays montagneux, lorsque les extrémités de la
base à mesurer sont séparées par des ravins** inaccessibles.
* = parcourir
** = valloni
Jean Terrien
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Corrigé
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Depuis Römer, qui avait déduit la vitesse de la lumière de l’observation des éclipses des
satellites de Jupiter, depuis Fizeau, qui a mesuré cette vitesse sur terre par la méthode de la roue
dentée, et Foucault qui a imaginé la méthode du miroir tournant, l’intérêt théorique de la vitesse
de la lumière n’a cessé de croître. Le nombre qui mesure cette vitesse est égal au rapport des
unités électromagnétique et électrostatique de quantité d’électricité; la relativité nous a appris que
c’était la vitesse limite qu’aucun signal ne pouvait dépasser; elle nous a appris aussi que 1 g de
matière renferme une énergie mesurée par le carré de la vitesse de la lumière, soit 10 21 ergs, ou
30 millions de kilowattheures; c’est une petite partie de cette énergie qui se manifeste lors de
l’explosion d’une bombe atomique, et qui entretient le feu du soleil depuis des milliards d’années.
Aussi est-il naturel que l’on cherche toujours à mesurer la vitesse de la lumière avec encore plus
de précision.
Une méthode, employée par Anderson puis par Bergstrand, utilise un photomultiplicateur
et de la lumière modulée à très haute fréquence. Cette modulation est obtenue au moyen d’une
cellule de Kerr, l’obturateur à réponse quasi instantanée dont nous avons déjà parlé, sur laquelle
on applique la tension d’un oscillateur électrique à haute fréquence; la lumière est interrompue 20
millions de fois par seconde, et des paquets de lumière se succèdent à une distance de 15 m,
courant les uns derrière les autres à une vitesse de 300 000 km/seconde environ, vitesse qu’il
s’agit de mesurer exactement. On sait mesurer, avec une erreur inférieure au millionième, la
fréquence des interruptions, c’est-à-dire le nombre des trains de lumière qui traversent l’obturateur
pendant chaque seconde; si l’on peut mesurer la distance qui les sépare dans leur course, il est
clair que leur vitesse sera le produit de cette distance par la fréquence. Voici une façon de
procéder.
Supposons que cet intervalle entre les trains successifs de lumière soit exactement 15 m.
Offrons à la lumière deux trajets repliés sur eux-mêmes, de longueur différente, la différence étant
15 m : le faisceau sortant de l’obturateur de Kerr se divise en deux sur une lame semitransparente (cf. figure), et pendant qu’un train de lumière parcourt le trajet le plus long et revient
sur lui-même, le train suivant parcourt le trajet le plus court. Ces deux trains consécutifs se
retrouvent donc après avoir suivi chacun un trajet différent, et ils se recouvriront exactement si
les trajets diffèrent exactement de l’intervalle qui les séparait initialement. Si l’on ajoute au plus
grand trajet un demi-intervalle, un train viendra se placer au milieu de l’intervalle des deux autres.
C’est ce que l’on cherche à mettre en évidence au moyen d’une cellule à multiplication d’électrons
sur laquelle on superpose les faisceaux partiels ayant cheminé par les deux trajets. On ajuste
systématiquement leur différence de longueur de façon à rendre minimum les fluctuations
périodiques de la lumière sur la cellule. A ce moment, la différence des trajets est 1,5 fois (ou 2,5
ou 3,5) fois l’intervalle de deux trains. Le choix de l’entier est facile; la fréquence étant connue, et
étant mesurée en mètres la longueur de chacun des trajets, leur différence, multipliée par la
fréquence de la cellule de Kerr, et divisée par 1,5 (ou 2,5, ou 3,5) donne la vitesse de la lumière.
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La meilleure valeur actuelle est 299 792 km/seconde, avec une incertitude de quelques
km/seconde.
Inversement, la vitesse de la lumière étant connue, on peut mesurer une distance par le
temps que met la lumière à la parcourir. Bergstrand a mis au point un “géodimètre” qui sert pour la
mesure précise des bases géodésiques et fonctionne sur ce principe. Malgré le travail de nuit, son
emploi est commode dans les pays montagneux, lorsque les extrémités de la base à mesurer sont
séparées par des ravins inaccessibles.
Jean Terrien
La cellule photoélectrique Puf, 1959
(à suivre)
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