Vitesse de la lumière : quésako ? 💡

Sommaire

Qu’est-ce que la vitesse de la lumière ?
La vitesse de la lumière et la relativité
L'influence du milieu de propagation
Distance parcourue et durée de propagation
Exercices

Tu as sûrement déjà dû entendre quelqu’un se vanter d’aller plus vite que la lumière. C’est bien évidemment impossible à moins de s’appeler Flash 😁. Aujourd’hui, on t’explique tout sur la vitesse de la lumière, alors accroche bien ta ceinture, comme dans Star Wars, on part en vitesse LUMIÈRE ! 🛸

Qu’est-ce que la vitesse de la lumière ? 🤔

Origine et Histoire

Eh non, la vitesse de la lumière n’est pas une nouvelle notion. Figure-toi que c’est un sujet qui passionne depuis des siècles ! On te fait un récap chronologique de l’évolution de cette notion dans le temps 👇

👉 Alhazen (965-1039) : Alhazen est un scientifique et philosophe arabe du Xe et XIe siècles. Bien qu’il n’ait pas directement mesuré la vitesse de la lumière, il est le premier à avoir l’intuition que la lumière a bien une vitesse de propagation.

👉 Galilée (1564-1642) : Eh oui, même notre cher mathématicien Galilée a eu son rôle dans la découverte de la vitesse de la lumière. Il tenta de mesurer la durée de propagation de la lumière entre deux collines, à l’aide de deux personnes éloignées munies d’horloges ! Il échoua malheureusement (faute de moyens). Il en déduira que la vitesse de la propagation de la lumière est très très très élevée.

👉 Fizeau (1819-1896) : Hippolyte Fizeau est un physicien français. Il a réalisé des expériences pour mesurer la vitesse de la lumière, notamment en utilisant un faisceau lumineux réfléchi par un miroir en rotation. Grâce à cette expérience, il est le premier à estimer la vitesse de la lumière de manière précise !

👉 Cornu (1841-1902) : Marie Alfred Cornu, était un physicien français. Il perfectionne le dispositif de Fizeau et trouve une valeur bien plus précise (3,004 X 10^5 km/s). Les mesures réalisées par la suite (par Michelson, Newcomb et Perrotin) permettent d’obtenir des valeurs de plus en plus précises, afin d’arriver à celle utilisée aujourd’hui.

Bravo pour les travaux sur la vitesse de la lumière ! — *Messieurs… Bravo pour les travaux 👏*

Lumière et vitesse

Premièrement, pour définir la lumière, il faut comprendre ce qu’est une onde électromagnétique 👇

💡 Onde électromagnétique

C’est une forme d’énergie qui se propage à travers l’espace à une certaine vitesse sous la forme de vibrations (comme une vague invisible). Cette onde est composée de deux parties : un champ électrique et un champ magnétique, d’où le nom « électromagnétique ». Elle peut se déplacer dans un milieu de propagation comme le vide ou l’air !

La lumière est une onde électromagnétique ! Sa vitesse de propagation est appelée vitesse de la lumière, elle est pour la plupart du temps notée “c” pour célérité !

👉 Cette vitesse est de :

$c = 299 792, 458 km/s$ (oui, c’est rapide)

👉 Mais pour simplifier, elle est pour la plupart du temps arrondie à :

$c = 300 000 km/s$

👉 On peut aussi la noter en écriture scientifique :

$c = 3 x 10^5 km/s$

$c = 3 x 10^8 m/s$

💡 Le savais-tu ?

Sais-tu pourquoi tu aperçois l’éclair avant de l’entendre ? C’est dû à la vitesse de la lumière ! Le son étant une onde électromagnétique beaucoup plus lente que la lumière, il arrive à tes oreilles bien après que la lumière atteigne tes yeux 😉 ! La vitesse du son est de 340,29 m / s !

L’année-lumière, une unité de distance

Pour se situer dans l’espace, notre référentiel avec le mètre ne fonctionne pas, car les distances sont beaucoup trop grandes ! Par exemple, la distance entre la Terre et Mars est de 292,18 milliards mètres, alors imagine quand on va beaucoup plus loin 🙄.

C’est pour ça qu’on a inventé l’année-lumière qui correspond à la distance parcourue par la lumière en une année ! Elle est énormément utilisée par la communauté scientifique pour mesurer les distances interstellaires et intergalactiques ! Par exemple, l’étoile qui se trouve la plus proche du système solaire “Proxima Centaur” se trouve à 4,22 années lumières de la Terre.

On cherche Proxima Centaur — *4,22 années-lumière, oui ça fait loin*

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La vitesse de la lumière et la relativité 📐

L’une des théories scientifiques les plus célèbres est celle de notre cher Albert Einstein : la relativité restreinte ! Cette théorie explique que les règles de la physique sont les mêmes pour tout le monde, peu importe comment on se déplace, tant qu’on se déplace à une vitesse constante ! Elle nous apprend également que la vitesse de la lumière est toujours la même, quelle que soit notre vitesse. Cela signifie que si quelqu’un se déplace très rapidement, le temps peut sembler ralentir pour cette personne et les objets peuvent sembler se raccourcir.

💡 Pour info

Dans cette théorie, Einstein indique aussi qu’il n’est pas possible d’aller plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide. Ce qui est contredit par le physicien russe Pavel Cerenkov, qui prouve en 1948 qu’une particule peut dépasser la vitesse de la lumière. Il obtient un prix Nobel avec cette découverte et on nomme maintenant ce phénomène l’effet Cerenkov !

La vitesse de la lumière figure aussi dans l’une des équations les plus connues de cette théorie :

$E=mc^2$

Cette équation dit que l’énergie (E) est égale à la masse (m) multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c) dans le vide. Cela signifie que l’énergie et la masse sont en réalité liées. En d’autres termes, l’énergie peut être convertie en masse et inversement !

🤩 Fun Fact

La relativité restreinte donne suite à d’innombrables œuvres de science-fiction comme le célèbre film Interstellar !

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L’influence du milieu de propagation 💥

Il faut savoir que la lumière ne se propage pas tout le temps à la même vitesse. Ça va surtout dépendre de son milieu de propagation. Dans la plupart des milieux matériels transparents, la vitesse de propagation est bien plus lente !

Les facteurs influençant le milieu de propagation 👇

📌 Sa densité

📌 Sa nature chimique

📌 La température

📌 La pression

📌 La longueur d’onde du rayonnement

Pour mesurer la propagation, on utilise “l’indice de réfraction”, qui va mesurer le degré de réfraction de la lumière dans un milieu donné. Plus l’indice de réfraction est élevé, moins la lumière se propage rapidement dans le milieu ! L’indice de réfraction est noté n et il est toujours supérieur à 1 ! !

👉 On a donc cette relation :

$n=\frac{c}{v}$ ou $v=\frac{c}{n}$

Voici une liste des milieux et de leurs indices de réfraction 👇

Milieu de propagation	Indice de réfraction (n)
Air	1
Eau	1,33
Verre	1,50
Diamant	2,42

Vitesse de la lumière ou vitesse de tortue ? — *La lumière dans du diamant*

💡 Pour info

La lumière se propage dans l’air à sa vitesse initiale, l’indice de l’air est alors de 1 !

On peut donc calculer la vitesse de propagation de la lumière dans un milieu donné, grâce à cet indice.

👉 Par exemple dans l’eau :

On sait que $v=\frac{c}{n}$

Ainsi $v=\frac{3\times10^8}{1,33}=2,25\times10^8$

La vitesse de la lumière dans l’eau est donc de : $2,25\times10^8 m/s$

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Distance parcourue et durée de propagation ⏱️

La vitesse, la distance et le temps sont reliés par une formule, que tu dois connaître par cœur

$V=\frac{D}{T}$

La vitesse est donc égale à la distance divisée par le temps. Grâce à cette relation, tu peux connaitre la distance parcourue par un objet en un certain temps, si tu as sa vitesse, ou bien inversement !

👉 Voici un exemple :

On sait que la lumière se propage à une vitesse de $3\times10^8 m/s$ ! Combien de temps mettra-t-elle à faire le tour de la terre (40 000 km) ?

On sait que $V=\frac{D}{T}$ donc $T=\frac{D}{V}$

On a alors $T=\frac{40 000 000}{3\times10^8} = 0,13$

La lumière met ainsi 0,13 seconde à faire le tour de la terre !

⛔ Attention

Fais bien attention à tes unités ! Dans cet exemple, n’oublie pas de bien convertir les 40 000 km en 40 000 000 mètres !

Exercices 🧠

Détermine la vitesse de la lumière dans du diamant

$n= 2,42$

$c = 3\times10^8 m/s$

On sait que $v=\frac{c}{n}$

Ainsi $v=\frac{3\times10^8}{2,42}=1,24\times10^8$

👉 La vitesse de la lumière dans du diamant est donc de : $1,24\times10^8 m/s$

Détermine le temps que la lumière prend à parcourir la distance Terre / Soleil

Distance = 149 millions de km

$c = 3\times10^8 m/s$

On sait que $V=\frac{D}{T}$ donc $T=\frac{D}{V}$

149 000 000 km = 149 000 000 000 m

On a alors $T=\frac{149000000000}{3\times10^8} = 496$

👉 La lumière met ainsi 496 seconde (soit 8.267 minutes) à faire la distance Terre/Soleil !

Détermine le temps que la lumière prend à parcourir la distance Terre/Jupiter si le milieu de propagation était de l’eau

Distance = 590 millions de km

$n=1,33$

$c = 3\times10^8 m/s$

📌On commence par calculer la vitesse de la lumière dans de l’eau :

On sait que $v=\frac{c}{n}$

Ainsi $v=\frac{3\times10^8}{1,33}=2,25\times10^8$

👉 La vitesse de la lumière dans l’eau est donc de : $2,25\times10^8 m/s$

📌On peut maintenant calculer le temps que la lumière prend à parcourir Terre/Jupiter :

On sait que $V=\frac{D}{T}$ donc $T=\frac{D}{V}$

590 000 000 km = 590 000 000 000 m

On a alors $T=\frac{590 000 000 000}{2,25\times10^8} = 2622$

👉 La lumière met ainsi 2 622 seconde (soit 43,7 minutes) à faire Terre/Jupiter si le milieu de propagation était de l’eau !

Voilà, maintenant, tu sais tout sur la vitesse de la lumière ! La notion est plutôt simple, mais les calculs peuvent parfois être complexes ! Alors n’hésite pas à contacter un Sherpa, si tu as besoin de plus d’aide 😉 !