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Sur les traces de la lumière
D’Euclideà Einstein,des simulacres aux photons
Cours de Physique6e transition
samedi 26 novembre 11
IntroductionQu’est-ce que la lumière ?
samedi 26 novembre 11
Définition provisoire
La lumière est “quelque chose”...
samedi 26 novembre 11
Définition provisoire
• ... qui est produit par le Soleil, le feu, les lampes
La lumière est “quelque chose”...
samedi 26 novembre 11
Définition provisoire
• ... qui est produit par le Soleil, le feu, les lampes
• ... qui se réfléchit sur les(ou certains) objets
La lumière est “quelque chose”...
samedi 26 novembre 11
Définition provisoire
• ... qui est produit par le Soleil, le feu, les lampes
• ... qui se réfléchit sur les(ou certains) objets
• ... que nos yeux peuvent percevoir
La lumière est “quelque chose”...
samedi 26 novembre 11
Propriétés (1)
samedi 26 novembre 11
Propriétés (1)
Lumière = énergie !samedi 26 novembre 11
Propriétés (2)
samedi 26 novembre 11
Propriétés (2)
Vitesse très élevée300.000 km/s
samedi 26 novembre 11
Propriétés (3)
samedi 26 novembre 11
Propriétés (3)
RéflexionTransparenceDiffusionRéfractionCouleursAbsorption
samedi 26 novembre 11
Production de lumière
samedi 26 novembre 11
Production de lumière
Chaleur
samedi 26 novembre 11
Production de lumière
Chaleur
Electricitésamedi 26 novembre 11
Production de lumière
Chaleur
Electricité Réactions chimiques
samedi 26 novembre 11
Effets de la lumière
samedi 26 novembre 11
Effets de la lumière
Chaleur
samedi 26 novembre 11
Effets de la lumière
Chaleur Electricité
samedi 26 novembre 11
Effets de la lumière
Chaleur Electricité
Réactions chimique
samedi 26 novembre 11
La question fondamentale
samedi 26 novembre 11
La question fondamentale
Matière ?(fluide, particules)
samedi 26 novembre 11
La question fondamentale
Matière ?(fluide, particules)
Onde ?(vibration,
perturbation)
samedi 26 novembre 11
Les précurseurs
samedi 26 novembre 11
Les précurseurs
EuclideIIIe s. av.JC
pythagoriciensL’oeil envoie
un “rayon visuel”
LucrèceIer s. av. JCatomistes
Les corps émettent des “simulacres”
samedi 26 novembre 11
Ibn al-HaythamBassorah 965 - Bagdad - Le Caire 1039
La civilisation arabe au moyen-âge
A la mort de Mahomet, en 632 après J.C., la péninsule d’Arabie était encore morcelée. «Mais,
exploitant l’élan jailli de la nouvelle religion islamique, ses disciple parvinrent rapidement à
unifier ces tribus disparates. Ils entamèrent ensuite une expansion extraordinaire en Syrie,
puis à travers l’Asie occidentale et l’Afrique du Nord, parvinrent à attirer ces peuple
assujettis, épuisés par de longues luttes entre l’Empire bysantin et la dynastie perse. L’idée de
jihad, ou guerre sainte, lancée par Mahomet, animait cette expansion et, vers 750 après J.C.,
les musulmans contrôlaient un empire qui s’étendait sans interruption de l’Espagne à l’Indus».
«Les conquérants islamiques étaient prêts à faire preuve d’une certaine tolérance à l’égard des
cultures autochtones de leurs nouvelles conquêtes, si bien que les Cours qu’ils établirent
furent les lieux d’une fusion remarquable entre les arts et les savoirs indigènes et les manières
arabes de l’Islam. De cette façon, ils héritèrent, entre autre chose, la science grecque de
nombreuses cités hellénistiques, ainsi que la culture de la Perse. Lorsque l’age de l’expension
fut clos, un âge d’or lui succéda».
«Il existe deux aspects de la science islamique: d’une part, les idées scientifiques qui furent
souvent importées de l’extérieur, de l’autre, la contribution des Arabes eux-mêmes à
l’ensemble du savoir scientifique. Il est certain que les Arabes héritèrent de la science grecque
— ainsi d’ailleurs que des sciences indienne et chinoise — et plus tard, ils la transmirent à
l’Occident. Mais leur rôle dépassa de loin ce simple transfert. Ils interprétèrent les divers
héritages, ils les commentèrent et apportèrent à leurs contenus de précieuses analyses; et
surtout, ils y ajoutèrent beaucoup de contributions originales. En effet, l’Arabie fut la terre
natale de quelques esprits scientifiques originaux; elle les nourrit et les encouragea à produire
leurs contributions personnelles».
(Colin Ronan, «Histoire mondiale des sciences», Seuil 1988)
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
• La lumière a une existence autonome, indépendante du corps qui l’émet et de l’oeil qui la voit
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
• La lumière a une existence autonome, indépendante du corps qui l’émet et de l’oeil qui la voit
• Elle se propage en ligne droite
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
• La lumière a une existence autonome, indépendante du corps qui l’émet et de l’oeil qui la voit
• Elle se propage en ligne droite• En pénétrant dans l’oeil, la lumière est
déviée pour former une image plane que notre cerveau perçoit
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
• La lumière a une existence autonome, indépendante du corps qui l’émet et de l’oeil qui la voit
• Elle se propage en ligne droite• En pénétrant dans l’oeil, la lumière est
déviée pour former une image plane que notre cerveau perçoit
• Décrit la réfraction et la réflexion
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
air
eau
lumière réfléchie
lumière réfractée
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
• Compare la lumière à des balles en mouvement.
air
eau
lumière réfléchie
lumière réfractée
samedi 26 novembre 11
Ibn al-Haytham
• Compare la lumière à des balles en mouvement.
• Explique la réflexion et le réfraction en décomposant le mouvement de la lumière en une composante normale et une composante parallèle à la surface de séparation des milieux. Seule la composante normale est affectée.
air
eau
lumière réfléchie
lumière réfractée
samedi 26 novembre 11
Galilée
1.Refuser le dogme, douter2.Observer3.Formuler des hypothèses4.Expérimenter
1564-1642
samedi 26 novembre 11
Snell1580-1626
sinθ1sinθ2
=n2n1
samedi 26 novembre 11
Descartes
• Loi de “Snell-Descartes”...• Compare la lumière à une “perturbation”,
un “choc”, qui se propage dans “l’éther” (dont les tourbillons entraînent les planètes)
• Se propage “instantanément”, comme le choc dans le bâton d’un aveugle
1596-1650
.
,.
t
samedi 26 novembre 11
Grimaldi1618-1663
Diffraction de la lumière
samedi 26 novembre 11
Römer1644-1710
Première mesure de la vitesse de la lumière
244 600 km/s
samedi 26 novembre 11
les ondes selon Huygens
1629-1695
samedi 26 novembre 11
Son
Vague Séisme
Ressort vibrant
samedi 26 novembre 11
Ondes
• Propagation d’une perturbation ou d’une vibration dans un certain milieu
• séisme : milieu = terre• vague : milieu = surface de l’eau• son : milieu = air, eau, verre, béton...
• Transport d’énergie sans transport de matière
samedi 26 novembre 11
Ondes transversales et longitudinales
Longitudinale(ex: son)
Transversale(ex: corde)
Mixte(ex: vague)
onde
milieu
onde
milieu
samedi 26 novembre 11
Célérité d’une onde
Longitudinale :v ~ densité
Vagues :v ~ profondeur
samedi 26 novembre 11
Deux sortes d’ondes sismiques
Ondes Plongitudinales
(± 6 km/s)
Ondes Stransversales
(± 4 km/s)
samedi 26 novembre 11
Principe de Huygens et diffraction des ondes
«Chaque point d’un front d’onde
agit comme la source d’une
ondelette. La somme des
ondelettes donne un nouveau front
d’onde »
Ceci explique la diffraction des
ondes
Physique 6e 11
La propagation des ondesPour comprendre la façon dont Huyghens explique la propagation des ondes lumineuses (ou autres),imaginez un plan avec des billes collées côte à côte (p.ex. une table de billard avec une dizaine de billesregroupées). Si on fait bouger légèrement une des billes, elle va cogner toutes celles qui sont àproximité; !celles-ci vont à leur tour en cogner d’autres: !une onde circulaire se propage. Ou plutôt!:une onde sphérique, si on imagine cela en trois dimensions. À grande distance, quand le rayon del’onde est devenu très important, alors on peut parler d’une onde plane.On voit aussi que, dans cette théorie, chaque point de l’onde joue exactement le même rôle que lecentre de l’onde!: c’est une nouvelle source de perturbation, qui se propage à son tour de proche enproche. C’est ce qu’on appelle des ondes secondaires.
Cette description du mouvementondulatoire explique très
facilement les phénomènes dediffraction!: les vagues
contournent les obstacles!; le sonest audible de l’autre côté d’une
porte entrouverte.Selon Huygens, cela explique
aussi en partie les observations deGrimaldi (diffraction)…
diffraction du son… … et des vagues
samedi 26 novembre 11
Diffraction des vagues
samedi 26 novembre 11
Principe de Huygens, réfraction et réflexion
samedi 26 novembre 11
Réflexion d’ondes sonores
samedi 26 novembre 11
Réfraction de vagues
Physique 6e 15
Explication de la réfraction
De la même façon, Huygens explique laréfraction. Il part d’une «!évidence!» que luidicte le «!bon sens!»: pour lui, la lumière sedéplace plus lentement dans les milieux denses(comme l’eau ou le verre) que dans lesmilieux qui lui opposent moins de résistance(comme l’air ou l’éther qui remplit le«!vide!»).Mais revenons à la réfraction. Un front d’ondeAC vient frapper un milieu transparent. Tousles points K de la surface AB se conduisentcomme des sources d’ondelettes dans lesmilieux réfringents, mais celles-ci se propagentplus lentement que l’onde incidente. Ainsil’ondelette SR produite par le point A n’a-t-elle parcouru qu’une distance AN pendant quel’ondelette produite par C se déplaçait jusqu’en B. Pour cette raison, le nouveau front d’onde NB a uneautre inclinaison que AC. Huygens démontre que si les vitesses sont inversement proportionnelles auxindices de réfraction, il retrouve les lois de Snell.Ce phénomène de réfraction s’observe également avec d’autres ondes. Par exemple, les vagues sonréfractées en approchant de la côte, où l’eau est moins profonde. Et les ondes sismiques changent dedirection en passant dans des couches plus denses du manteau terrestre.Une remarque!: nous savons aujourd’hui que Huygens avait raison sur la question de la vitesse de lalumière dans l’air ou dans le verre. Mais nous savons aussi que son explication de bon sens» !ne tientpas. Pour Huygens, la lumière se propage exactement comme les ondes sonores. Or nous pouvonsfacilement mesurer que le son se propage plus vite dans l’eau que dans l’air !
samedi 26 novembre 11
Réflexion et réfraction de séismes
Physique 6e 14
Explication de la réflexion
Le couronnement de la théorie de Huygens, c’estson explication de la réflexion et de la réfraction.Voici encore un schéma de Christiaan Huygens.Une onde plane AC vient frapper une surface AB.Le point A est le premier atteint: il devient lui-mêmesource d’une ondelette qui, au bout d’un certaintemps t, se développe en onde secondaire SR. Lespoints K, atteints successivement par l’ondeincidente, vont, de la même manière, produire desondelette qui, au temps t, auront un rayon de plus enplus court. Toutes ces ondelettes vont constituer unnouveau front d’onde, NB: l’onde réfléchie.
De nouveau, cette théorie permet d’expliquer laréflexion des phénomènes ondulatoires connus!. Laréflexion du son par exemple (l’écho), qui est utilisépar les chauves-souris pour se déplacer la nuit et quiest exploité par l’homme dans les sonars et leséchographies. Mais aussi la réflexion des ondes
sismiques sur le noyau terrestre (voir le schéma, plus loin) ou la réflexion d’une vague sur les bordsd’un canal.
Réflexion et réfraction d’ondes sysmiques
samedi 26 novembre 11
Le modèle corpusculaire de
Newton
1643-1727
samedi 26 novembre 11
Fg = G m.m '
d 2
F = m.
a
F(x) = f (x).dx∫
samedi 26 novembre 11
Une seule force agit sur les astres : la gravitation
Il n’y pas de frottements
L’espace interplanétaire est vide
La lumière qui nous vient du soleilne saurait être une perturbation (onde)
samedi 26 novembre 11
samedi 26 novembre 11
“La lumière blanche est un mélange de diverses sortes de corpuscules qui, en frappant nos yeux,
sont perçus comme les différentes couleurs”
samedi 26 novembre 11
F
Newton essaye d’expliquer la réfraction au moyen d’une force agissant près de la surface de séparation entre deux
milieux (“force réfringeante”)
samedi 26 novembre 11
Newton doit postuler l’existence d’une deuxième force (force réflexive) pour expliquer la réflexion de
minuscules particules de lumière sur des surfaces qui, à l’échelle microscopiques, sont loin d’être lisses.
F
samedi 26 novembre 11
F
...et encore une autre force pour expliquer la diffraction.
Ça commence à faire beaucoup de forces !
samedi 26 novembre 11
Newton découvre les phénomènes d’interférence par “couches minces”
Il tente de les expliquer par une “vibration”... mais de quoi ?
samedi 26 novembre 11
Fresnel et YoungLes ondes périodiques
1788 - 1827 1773-1829
samedi 26 novembre 11
Ondes périodiques
• Définition : succession régulière d’ondes
• Grandeurs caractéristiques :• f = fréquence = nombre d’ondes/sec [Hz]• T = période = temps entre deux ondes [s]• λ = longueur d’onde = distance entre deux
ondes [m]
samedi 26 novembre 11
λ
λ
λ/T = v
λ.f = vsamedi 26 novembre 11
20 Hz 40 Hz 100 Hz 200 Hz 400 Hz 1 kHz 2 kHz 4 kHz 10 kHz 20 kHz
Voix humaine
Ultr
ason
s
Infr
ason
sSons audibles par l’oreille humaine
Echelle logarithmique des fréquences sonores
Piano
samedi 26 novembre 11
Effet Doppler
samedi 26 novembre 11
Interférences
samedi 26 novembre 11
Interférences :principe de base
Interférence constructive
Interférence destructrice
Ondes “en phase”
Ondes “en phase”
Ondes “en opposition de phase”
samedi 26 novembre 11
2 ondesde même fréquence
samedi 26 novembre 11
2 ondes de fréquences proches
samedi 26 novembre 11
Interférence de la lumière(expérience de Young)
samedi 26 novembre 11
Physique 6e 26
La mesure de la longueur d’onde de la lumière
Young va plus loin encore. Il mesure l’écart entre les bandes claires et sombres et il en déduit lalongueur d’onde de la lumière. Comment procède-t-il ?Ce schéma vous l’explique!:
Frange claire
Frange sombre
!/2
d
i
aFrange claire
Frange sombre
i
d=
! /2
a
"
! =2 i a
d
Young mesure et fait ses calculs. Il obtient des résultats allant de 0,7µ pour la lumière rouge à 0,42µpour le violet. Il vient de mesurer, pour la première fois, la longueur d’onde de la lumière. Pour lapremière fois!? Cent ans plus tôt, Newton avait obtenu déjà ces résultats lors de ses recherches sur laréflexion par les couches minces. Mais l’illustre compatriote de Young n’avait pas voulu y voir unelongueur d’onde!: ceci aurait remis en question toute sa théorie corpusculaire.
Le modèle mathématique de FresnelYoung a publié le résultat de ses recherches en 1804. L’accueil, en Angleterre, n’est pas froid... il estfranchement hostile!! Le savant se fait attaquer de toutes parts, à tel point que, découragé, il abandonneses travaux.Dix ans plus tard, en France, Augustin Fresnel effectue des expériences similaires et il en tire les mêmesconclusions que Young (dont il ignore les travaux). Mais Fresnel dispose d’un atout important parrapport à son collègue britannique!: comme ingénieur, il a acquis une solide formation mathématique.Il va réaliser ce dont Young a été incapable!: un modèle mathématique des ondes lumineuses. Grâce àce modèle, il calcule non seulement la position des franges dans l’interférence par deux ouvertures (ceque Young avait déjà fait) mais il prévoit et vérifie également l’intensité lumineuse de ces franges.Plutôt que de publier directement ses résultats, Augustin Fresnel les envoie d’abord à un membre del’Institut à Paris, Arago. Celui-ci est rapidement enthousiasmé par les théories du jeune ingénieur etl’encourage à poursuivre ses travaux.Petit à petit, Arago et Fresnel parviennent à surmonter les critiques des partisans — encore nombreux etacharnés — du modèle newtonien. En 1819 Fresnel obtient un prix décerné par l’Académie desSciences sur l’étude de la diffraction. Fresnel écrit!:
samedi 26 novembre 11
samedi 26 novembre 11
Fizeau mesure la vitesse de la lumièredans différents milieux
samedi 26 novembre 11
Réfraction et célérité de la lumière
Huygens - Fresnel(modèle ondulatoire)
Ralentissement
Réfraction de l’onde
cverre < cair
Newton(modèle corpusculaire)
Force réfringeante
Augmentation de vitesse
cverre > cair
samedi 26 novembre 11
Réfraction et célérité de la lumière
Huygens - Fresnel(modèle ondulatoire)
Ralentissement
Réfraction de l’onde
cverre < cair
Newton(modèle corpusculaire)
Force réfringeante
Augmentation de vitesse
cverre > cair
samedi 26 novembre 11
Réfraction et célérité de la lumière
Huygens - Fresnel(modèle ondulatoire)
Ralentissement
Réfraction de l’onde
cverre < cair
samedi 26 novembre 11
Maxwell (1831-1879) et l’électromagnétisme
samedi 26 novembre 11
• Les aimants ont deux pôles (N et S)
• Les pôles identiques se repoussent; les pôles opposés s’attirent
• Les aimants attirent le fer (ils transforment le fer en aimant)
Magnétisme
samedi 26 novembre 11
Champ magnétique
Vecteur indiquant la grandeur et la direction de la force qui s’exercerait sur une boussole en un
point de l’espace (unité = T)samedi 26 novembre 11
Champ magnétique de la terre
Champ magnétique de la terre en Belgique ~ 50µTsamedi 26 novembre 11
Oersted (1820)
Pile de Volta Expérience d’Oersted
Un courant électrique dévie une boussole => naissance de l’électromagnétisme
samedi 26 novembre 11
Champs magnétiques des courants électriques
samedi 26 novembre 11
Applications
Electro-aimant(un aimant qu’on peut
“allumer” et “éteindre”)
Moteur électrique(transforme l’énergie électrique
en énergie mécanique)
samedi 26 novembre 11
Applications
Galvanomètre(voltmètre, ampèremètre
ohm-mètre, etc...)
Haut-parleur(transforme l’énergie électrique
en vibration sonore)
samedi 26 novembre 11
• Un courant électrique circulaire produit un champ magnétique similaire à celui d’un aimant
• Hypothèse d’Ampère (1830) : dans les aimants, des courants électriques circulaires produisent le magnétisme
• Confirmé en 1915 par Einstein qui découvre que les électrons produisent ces courants
Hypothèse d’Ampère
samedi 26 novembre 11
Faraday découvre le courant induit (±1840)
L’expérience d’Oersted est-elle réversible ?Si un courant électrique peut produire le mouvement d’un aimant, le mouvement d’un aimant peut-il produire un courant électrique ?
samedi 26 novembre 11
Application :la dynamo
Zénobe Gramme
Production industrielle d’électricitéDynamo (1869)
samedi 26 novembre 11
Production d’électricité
Génératrice industrielle
Dynamo de vélo
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-Maxwell1) l’expérience d’Oersted
Mouvementd’un aimant
Courant électrique
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-Maxwell1) l’expérience d’Oersted
Mouvementd’un aimant
Courant électrique
Déplacement de charges
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-Maxwell1) l’expérience d’Oersted
Mouvementd’un aimant
Courant électrique
Déplacement de charges
Variation duchamp électrique
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-Maxwell1) l’expérience d’Oersted
Mouvementd’un aimant
Courant électrique
Déplacement de charges
Variation duchamp électrique
Champmagnétique
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-Maxwell1) l’expérience d’Oersted
Mouvementd’un aimant
Courant électrique
Déplacement de charges
Variation duchamp électrique
Champmagnétique
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-Maxwell1) l’expérience d’Oersted
Variation duchamp électrique
Champmagnétique
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-MAxwell2) Le courant induit
Courant électriqueMouvementd’un aimant
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-MAxwell2) Le courant induit
Courant électriqueMouvementd’un aimant
Variation duchamp magnétique
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-MAxwell2) Le courant induit
Courant électriqueMouvementd’un aimant
Variation duchamp magnétique
Déplacement de charges
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-MAxwell2) Le courant induit
Courant électriqueMouvementd’un aimant
Variation duchamp magnétique
Champélectrique
Déplacement de charges
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-MAxwell2) Le courant induit
Courant électriqueMouvementd’un aimant
Variation duchamp magnétique
Champélectrique
Déplacement de charges
samedi 26 novembre 11
Synthèse de Faraday-MAxwell2) Le courant induit
Variation duchamp magnétique
Champélectrique
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
etc...samedi 26 novembre 11
L’hypothèse des ondes electromagnétiques
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
Champ magnétique oscillant
Champ électrique oscillant
etc...
Propagation d’une onde dans les champs
électromagnétiques
samedi 26 novembre 11
Les équations de Maxwell (1865)
µ0 = 1,26.10−12 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Les équations de Maxwell (1865)
Loi de Coulomb
µ0 = 1,26.10−12 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Les équations de Maxwell (1865)
Loi de Coulomb
Inexistence de mono-pôles magnétiques
µ0 = 1,26.10−12 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Les équations de Maxwell (1865)
Loi de Coulomb
Inexistence de mono-pôles magnétiques
1e synthèse de Faraday
µ0 = 1,26.10−12 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Les équations de Maxwell (1865)
Loi de Coulomb
Inexistence de mono-pôles magnétiques
1e synthèse de Faraday
2e synthèse de Faraday
µ0 = 1,26.10−12 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Une surprenante vitesse
Les équations de Maxwell confirment l’hypothèse des ondes électromagnétiques et permettent d’en calculer la vitesse
µ0 = 1,26.10−6 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Une surprenante vitesse
Les équations de Maxwell confirment l’hypothèse des ondes électromagnétiques et permettent d’en calculer la vitesse
c = 1µ0ε0
=
µ0 = 1,26.10−6 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Une surprenante vitesse
Les équations de Maxwell confirment l’hypothèse des ondes électromagnétiques et permettent d’en calculer la vitesse
c = 1µ0ε0
= 3 . 108 m/s
µ0 = 1,26.10−6 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
Une surprenante vitesse
Les équations de Maxwell confirment l’hypothèse des ondes électromagnétiques et permettent d’en calculer la vitesse
c = 1µ0ε0
= 3 . 108 m/s
Si elles existent, les ondes électromagnétiques devraient se déplacer à la vitesse de la lumière. Mais alors, la lumière est peut-être...
µ0 = 1,26.10−6 ε0 =
14πkc
= 8,85.10−12
samedi 26 novembre 11
La preuve par les “ondes hertziennes” (1888)
HeinrichHertz
Hertz mesure la vitesse de ses ondes : 3.108 m/ssamedi 26 novembre 11
Classification des ondes Electromagnétiques
samedi 26 novembre 11
samedi 26 novembre 11
La théorie de la relativité
Quand la vitesse de la lumière bouleverse Monsieur Einstein...
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse
∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
15 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
15 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s
vt/s = 15m/5s = 3m/s
∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
15 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s
vt/s = 15m/5s = 3m/s
∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
15 m
20 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s
vt/s = 15m/5s = 3m/s
∆t=5s
samedi 26 novembre 11
Relativité de la vitesse5 m
15 m
20 m
vp/t = 5m/5s = 1m/s
vt/s = 15m/5s = 3m/s
vp/s = 20m/5s = 4m/s vp/s = vp/t + vt/s
∆t=5s
samedi 26 novembre 11
samedi 26 novembre 11
c = 300 000 000 m/s
samedi 26 novembre 11
c = 300 000 000 m/s
vt = 29 800 m/s
samedi 26 novembre 11
c = 300 000 000 m/s
vt = 29 800 m/s
c’ = c + vt = 300 029 800 m/s
samedi 26 novembre 11
c = 300 000 000 m/s
vt = 29 800 m/s
c’ = c + vt = 300 029 800 m/s
c’’ = c - vt = 299 970 200 m/s
samedi 26 novembre 11
L’interféromètre de Michelson
samedi 26 novembre 11
samedi 26 novembre 11
c’ = 300 000 000 m/s
samedi 26 novembre 11
c’ = 300 000 000 m/s
c’’ = 300 000 000 m/s?
samedi 26 novembre 11
Espace et temps sont relatifs
samedi 26 novembre 11
Espace et temps sont relatifs
samedi 26 novembre 11
Espace et temps sont relatifs
15 m mesurés par rapport au sol
samedi 26 novembre 11
Espace et temps sont relatifs
15 m mesurés par rapport au sol
5 m mesurés par rapport au train en
mouvement
samedi 26 novembre 11
Espace et temps sont relatifs
15 m mesurés par rapport au sol
5 m mesurés par rapport au train en
mouvement
∆t=5s mesurées par un observateur immobile, au sol
samedi 26 novembre 11
Espace et temps sont relatifs
15 m mesurés par rapport au sol
5 m mesurés par rapport au train en
mouvement
∆t=5s mesurées par un observateur immobile, au sol
∆t’=5s mesurées dans le train
samedi 26 novembre 11
Relativité du temps
v = vitesse de la fusée p.r. à un système de référence
samedi 26 novembre 11
Relativité du temps
samedi 26 novembre 11
Relativité du temps
samedi 26 novembre 11
Relativité du temps∆t = “temps propre de la fusée”
samedi 26 novembre 11
Relativité du temps∆t = “temps propre de la fusée”
∆t’ = temps mesuré dans le système de
référencesamedi 26 novembre 11
Relativité du temps∆t = “temps propre de la fusée”
∆t’ = temps mesuré dans le système de
référence
∆ t ' = ∆ t
1− v2
c2
samedi 26 novembre 11
Preuves expérimentales
• Durée de vie du méson π (2,6 10-8 s)
• Horloge en orbite
samedi 26 novembre 11
Energie d’un corps en mouvement
E =m.c2
1− v2
c2
14
7. Dynamique relativiste
En mécanique classique, l’énergie d’un corps de masse m0 en mouvement à une vitesse v était
donnée par la formule!:
!
E =1
2m0v2
On peut montrer que, lorsqu’on tient compte des deux postulats d’Einstein, la formule de
l’énergie devient!:
!
E =m0c2
1"v2
c2
A première vue, il n’y a rien de commun entre ces deux formules. On doit pourtant s’attendre
à ce que, pour les petites vitesses, la formule relativiste confirme la formule classique, car
celle-ci a été largement vérifiée expérimentalement. Or, si l’on prend la plus petite vitesse qui
soit, v=0, on voit tout de suite que les résultats sont totalement différents. La formule
classique donne E(0)=0, alors que la formule relativiste donne E(0)=m0.c2. Zéro d’un côté,
une énergie gigantesque de l’autre côté. Il y a quelque chose qui cloche…
Pour comprendre, comparons les graphiques des deux fonctions (pour une masse unitaire).
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 0,5 1 1,5
v/c
E/c2
E class E.rel E class + mc2
E classique
E relativiste
samedi 26 novembre 11
Energie et masse
• Un corps au repos possède de l’énergie en raison de sa masse (E = mc2)
• Inversément, toute énergie représente de la masse
• On distingue masse au repos et masse en mouvement
• Exemple : masse des constituants d’un noyau atomique ≠ masse du noyau
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire• Toute réaction nucléaire s’accompagne d’une
perte de masse. Exemple : fusion de l’hélium
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire• Toute réaction nucléaire s’accompagne d’une
perte de masse. Exemple : fusion de l’hélium
• mp = 1,673.10-27 kg
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire• Toute réaction nucléaire s’accompagne d’une
perte de masse. Exemple : fusion de l’hélium
• mp = 1,673.10-27 kg
• mn = 1,675. 10-27 kg
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire• Toute réaction nucléaire s’accompagne d’une
perte de masse. Exemple : fusion de l’hélium
• mp = 1,673.10-27 kg
• mn = 1,675. 10-27 kg
• m(He) = 6,644. 10-27 kg
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire• Toute réaction nucléaire s’accompagne d’une
perte de masse. Exemple : fusion de l’hélium
• mp = 1,673.10-27 kg
• mn = 1,675. 10-27 kg
• m(He) = 6,644. 10-27 kg
=> défaut de masse : ∆m = 0,052. 10-27 kg
samedi 26 novembre 11
E= mc2
et l’énergie nucléaire• Toute réaction nucléaire s’accompagne d’une
perte de masse. Exemple : fusion de l’hélium
• mp = 1,673.10-27 kg
• mn = 1,675. 10-27 kg
• m(He) = 6,644. 10-27 kg
=> défaut de masse : ∆m = 0,052. 10-27 kg
samedi 26 novembre 11
Fission et fusion
samedi 26 novembre 11
Fission et fusion
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samedi 26 novembre 11
Centrale nucléaire
samedi 26 novembre 11
Physique quantique et
atomique
Quand la vitesse de la lumière bouleverse Monsieur Einstein...
samedi 26 novembre 11
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