Calcul de la Vitesse de la Lumière

Calcul de la Vitesse de la Lumière et Distances Astronomiques

Voyage à la Vitesse de la Lumière : Du Soleil aux Confins du Système Solaire

La lumière : la voyageuse la plus rapide de l'Univers !

La lumière du Soleil nous éclaire chaque jour, mais sais-tu combien de temps elle met pour arriver jusqu'à nous ? Et pour atteindre les planètes les plus éloignées de notre système solaire, ou même les étoiles lointaines ? La lumière voyage à une vitesse prodigieuse, la plus grande vitesse possible dans l'Univers ! Dans cet exercice, nous allons calculer ces temps de parcours et mieux comprendre les immenses distances de l'espace en utilisant la fameuse relation \(v = d/t\).

Mission : Calculer les temps de voyage de la lumière et les distances

Nous allons effectuer plusieurs calculs liés à la vitesse de la lumière.

Données fondamentales :

  • Vitesse de la lumière dans le vide (\(c\)) : \(c \approx 300\,000 \text{ kilomètres par seconde (km/s)}\). (Plus précisément, \(c = 299\,792\,458 \text{ mètres par seconde (m/s)}\)).
  • Distance moyenne Soleil-Terre (\(d_{\text{S-T}}\)) : environ \(1,5 \times 10^8 \text{ km}\).
  • Distance Terre-Mars (variable, prenons une valeur moyenne pour un calcul) : \(d_{\text{T-M}} \approx 7,5 \times 10^7 \text{ km}\).
  • L'étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, est à environ \(4,24 \text{ années-lumière}\) de nous.

Formules utiles :

  • Vitesse : \(v = \frac{d}{t}\)
  • Temps : \(t = \frac{d}{v}\)
  • Distance : \(d = v \times t\)

Conversions utiles :

  • \(1 \text{ km} = 1000 \text{ m}\)
  • \(1 \text{ minute} = 60 \text{ secondes}\)
  • \(1 \text{ heure} = 3600 \text{ secondes}\)
  • \(1 \text{ jour} \approx 24 \text{ heures} \times 3600 \text{ s/h} = 86\,400 \text{ s}\)
  • \(1 \text{ année} \approx 365,25 \text{ jours} \approx 3,156 \times 10^7 \text{ s}\)
Schéma : Distances dans le système solaire et au-delà
Soleil Terre dS-T Mars dT-M Proxima Cen. 4,24 années-lumière Échelles de distance et vitesse de la lumière

La lumière voyage à travers les vastes distances de l'espace.


Questions à résoudre

  1. Exprime la vitesse de la lumière \(c = 300\,000 \text{ km/s}\) en mètres par seconde (m/s) en utilisant la notation scientifique.
  2. Calcule le temps \(t_{\text{S-T}}\) que met la lumière pour voyager du Soleil à la Terre. Donne ton résultat en secondes, puis en minutes et secondes.
  3. L'année-lumière (al) est une unité de distance : c'est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année.
    1. Calcule la valeur d'une année-lumière en kilomètres (km). Utilise \(c = 300\,000 \text{ km/s}\) et \(1 \text{ année} \approx 3,156 \times 10^7 \text{ s}\). Donne le résultat en notation scientifique.
  4. Proxima du Centaure est à \(4,24 \text{ al}\) de la Terre. Calcule cette distance en kilomètres (km) en utilisant le résultat de la question 3a.
  5. Calcule le temps \(t_{\text{T-M}}\) que mettrait un signal lumineux (ou radio, qui voyage à la même vitesse) pour aller de la Terre à Mars, lorsque Mars est à la distance \(d_{\text{T-M}}\) donnée. Exprime ce temps en secondes, puis en minutes.
  6. Si une civilisation extraterrestre sur une planète orbitant Proxima du Centaure nous observait aujourd'hui avec un télescope surpuissant, quelle période de l'histoire de la Terre verraient-ils ? Explique.

Correction : Voyage à la Vitesse de la Lumière

Question 1 : Vitesse de la lumière en m/s

Réponse :

On a \(c = 300\,000 \text{ km/s}\).

Comme \(1 \text{ km} = 1000 \text{ m} = 10^3 \text{ m}\), alors :

\[\begin{aligned} c &= 300\,000 \times 1000 \text{ m/s} \\ &= 300\,000\,000 \text{ m/s} \\ &= 3 \times 10^8 \text{ m/s} \end{aligned}\]

La vitesse de la lumière est d'environ \(3 \times 10^8 \text{ m/s}\).

Question 2 : Temps de parcours Soleil-Terre

Réponse :

Données : \(d_{\text{S-T}} = 1,5 \times 10^8 \text{ km}\), \(c = 300\,000 \text{ km/s} = 3 \times 10^5 \text{ km/s}\).

On utilise \(t = \frac{d}{c}\) :

\[\begin{aligned} t_{\text{S-T}} &= \frac{1,5 \times 10^8 \text{ km}}{3 \times 10^5 \text{ km/s}} \\ &= \frac{1,5}{3} \times 10^{(8-5)} \text{ s} \\ &= 0,5 \times 10^3 \text{ s} \\ &= 500 \text{ s} \end{aligned}\]

Conversion en minutes et secondes :

\(500 \text{ s} = (8 \times 60 \text{ s}) + 20 \text{ s} = 480 \text{ s} + 20 \text{ s}\)

La lumière met \(500 \text{ secondes}\), soit \(8 \text{ minutes et } 20 \text{ secondes}\) pour aller du Soleil à la Terre.

Question 3 : Valeur d'une année-lumière

Réponse a) :

Une année-lumière est la distance \(d = c \times t\), avec \(t = 1 \text{ année}\).

Données : \(c = 3 \times 10^5 \text{ km/s}\), \(1 \text{ année} \approx 3,156 \times 10^7 \text{ s}\).

\[\begin{aligned} 1 \text{ al} &= (3 \times 10^5 \text{ km/s}) \times (3,156 \times 10^7 \text{ s}) \\ &= (3 \times 3,156) \times 10^{(5+7)} \text{ km} \\ &= 9,468 \times 10^{12} \text{ km} \end{aligned}\]

Une année-lumière vaut environ \(9,468 \times 10^{12} \text{ km}\) (soit environ 9468 milliards de kilomètres).

Quiz Intermédiaire 1 : Si une étoile est à 10 années-lumière, cela signifie que :

Question 4 : Distance de Proxima du Centaure en km

Réponse :

Distance = \(4,24 \text{ al}\).

Valeur de 1 al \(\approx 9,468 \times 10^{12} \text{ km}\).

\[\begin{aligned} d_{\text{Proxima}} &= 4,24 \times (9,468 \times 10^{12} \text{ km}) \\ &\approx 40,144 \times 10^{12} \text{ km} \\ &\approx 4,0144 \times 10^{13} \text{ km} \end{aligned}\]

Proxima du Centaure est à environ \(4,01 \times 10^{13} \text{ km}\) de la Terre.

Question 5 : Temps de parcours Terre-Mars

Réponse :

Données : \(d_{\text{T-M}} = 7,5 \times 10^7 \text{ km}\), \(c = 3 \times 10^5 \text{ km/s}\).

\[\begin{aligned} t_{\text{T-M}} &= \frac{d_{\text{T-M}}}{c} \\ &= \frac{7,5 \times 10^7 \text{ km}}{3 \times 10^5 \text{ km/s}} \\ &= \frac{7,5}{3} \times 10^{(7-5)} \text{ s} \\ &= 2,5 \times 10^2 \text{ s} \\ &= 250 \text{ s} \end{aligned}\]

Conversion en minutes : \(250 \text{ s} = (4 \times 60 \text{ s}) + 10 \text{ s} = 240 \text{ s} + 10 \text{ s}\).

Un signal lumineux mettrait \(250 \text{ secondes}\), soit \(4 \text{ minutes et } 10 \text{ secondes}\), pour aller de la Terre à Mars à cette distance.

Question 6 : Regarder dans le passé

Réponse :

Si Proxima du Centaure est à \(4,24 \text{ années-lumière}\), cela signifie que la lumière que nous recevons aujourd'hui de cette étoile a quitté l'étoile il y a \(4,24 \text{ années}\). Par conséquent, si une civilisation sur une planète autour de Proxima du Centaure nous observait, elle verrait la Terre telle qu'elle était il y a \(4,24 \text{ années}\). Elle verrait donc une période de notre histoire qui s'est déroulée \(4,24 \text{ ans}\) dans notre passé.

Quiz Intermédiaire 2 : La vitesse de la lumière dans l'eau par rapport à sa vitesse dans le vide est :


Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Quelle est approximativement la vitesse de la lumière dans le vide ?

2. Si la lumière met \(2 \text{ secondes}\) pour parcourir une distance, et que sa vitesse est de \(300\,000 \text{ km/s}\), la distance est de :

3. Une année-lumière est :


Glossaire

Lumière
Forme d'énergie qui se propage sous forme d'ondes électromagnétiques et qui est visible par l'œil humain. Elle voyage à la plus grande vitesse connue dans l'Univers.
Vitesse de la lumière (\(c\))
Vitesse à laquelle la lumière se propage dans le vide. Sa valeur est d'environ \(299\,792\,458 \text{ mètres par seconde}\) (\(\approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}\) ou \(300\,000 \text{ km/s}\)).
Propagation
Action pour une onde (comme la lumière ou le son) de se déplacer d'un point à un autre.
Vide (spatial)
Région de l'espace qui ne contient quasiment aucune matière.
Distance (\(d\))
Longueur du trajet parcouru entre deux points. Unités : kilomètre (km), mètre (m), année-lumière (al).
Temps (\(t\))
Durée d'un événement ou d'un parcours. Unités : seconde (s), minute (min), heure (h), année.
Année-lumière (al)
Unité de distance utilisée en astronomie. C'est la distance que la lumière parcourt dans le vide en une année. \(1 \text{ al} \approx 9,46 \times 10^{12} \text{ km}\).
Notation Scientifique
Manière d'écrire les très grands ou très petits nombres sous la forme \(a \times 10^n\), où \(a\) est un nombre compris entre 1 (inclus) et 10 (exclu), et \(n\) est un entier.
Calcul de la Vitesse de la Lumière et Distances Astronomiques - Exercice d'Application

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