ENSEIGNER
samedi 23 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: 2nde- Exploration de l'espace, de l'atome aux galaxies
  -  _ (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 4: vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances

 

La vitesse de la lumière dans le vide vaut 3,00.108 m/s (ou noté aussi m.s-1), soit environ trois cent mille kilomètres par seconde.
C’est une vitesse limite : il n’existe pas de vitesse supérieure.
Remarque : la vitesse de la lumière dans l’air est quasiment la même que dans le vide.

1. Le son se propage dans l'air à la vitesse de 340 m/s c'est-à-dire beaucoup plus lentement que la lumière. Pour mieux percevoir l'écart entre la vitesse de propagation de la lumière et celle du son, on raisonne sur l'analogie suivante :

  • Le TGV, qui va à 300 km/h, soit 83,3 m/s, correspond à la lumière.
  • On cherche un objet en mouvement pour correspondre au son.

lumière ---> son
son---> ??


a. Selon vous (sans calcul et intuitivement), quel est l'objet qui convient le mieux :
- Un avion de chasse dans le ciel
- Une voiture sur autoroute
- Un cheval au galop
- Un marcheur (marche normale)
- Une limace
b. Pour que l'analogie soit convenable, quelle doit être la valeur de la vitesse de cet objet qui correspond au son (en m/s).
c. Donner le résultat en cm/h.
d. Modifier éventuellement (en marquant la différence éventuelle avec une autre couleur) votre prévision initiale.

2. Donner un exemple courant qui illustre la différence entre la vitesse du son et celle de la lumière dans l’air


But: vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances

 Prendre conscience de la valeur extrêmement élevée de la vitesse de la lumière en la comparant à celle du son, bien plus faible et que les élèves ont déjà pu être amenés à estimer dans leur vie quotidienne.

Préparation: vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances

Durée: 30 min environ, correction comprise.
Cette activité est très liée à l'activité 5 qui la suit. Elle doit si possible être traitée dans la même séance.

Savoir: vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances

Cette activité permet de prendre conscience de la valeur de la vitesse de la lumière en procédant par analogie : on montre ainsi que la vitesse de la lumière est très supérieure à celle du son, comme le serait la vitesse d’un TGV par rapport à celle d’une limace. La vitesse de la limace (2 m.h-1) est trop importante par rapport à la vitesse "visée" mais il est difficile de trouver un animal ou un objet plus lent. Ce qui importe est l'estimation de la vitesse.
La compréhension d'une analogie n'est pas toujours évidente pour les élèves. C'est pour cette raison que nous avons choisi de la présenter sous la forme d'un tableau. Cette présentation leur fait souvent penser au "tableau en croix" et simplifie l'établissement du calcul à faire. Cette technique ne doit pas masquer le sens à donner au résultat obtenu.

Comportement des élèves: vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances

Il est possible que certains élèves cochent l'avion de chasse car celui-ci est très généralement associé à la vitesse du son. Si ce choix est absurde du point de vue de l'analogie (le son irait plus vite que la lumière), des études antérieures ont montré que, probablement du fait du "mur du son" bien connu des élèves, l'avion de chasse est très souvent évoqué quand on demande d'illustrer que le son se propage.

Corrigé: vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances

1. a) Les élèves peuvent adopter une stratégie relativement scolaire pour leur prévision : choisir l'objet le plus lent possible, en devinant que le professeur veut lui faire observer l'écart énorme entre les deux vitesses. Ce choix doit cependant être justifié dans les questions suivantes. Ils peuvent également avoir tendance à choisir l'avion de chasse (voir remarque dans la rubrique précédente).
b) L’animal doit avoir une vitesse de 9,44 .10-5 m.s-1.
c) 9,44 . 10-5 m.s-1 = 9,44 . 10-3 cm.s-1 = 34,0 cm.h-1.
d) L’escargot avance à une vitesse de valeur comparable à celle trouvée précédemment.
2. La foudre est un bon exemple. Lorsque « la foudre tombe », un éclair se produit et un grondement est émis, la lumière et le son sont émis simultanément. Or un observateur voit d’abord l’éclair, et ensuite entend le tonnerre : cela illustre que la lumière a mis nettement moins de temps que le son pour parcourir la distance entre l’endroit ou la foudre s'est abattue et l’observateur. La lumière se propage donc nettement plus vite que le son.