Cours de physique-chimie en 3e France – Utilisation de la vitesse de la lumière : distances dans l’univers
En physique-chimie, le programme du cours de collège permet d’entrer dans une relation scientifique avec les phénomènes naturels, le monde vivant, et les techniques. Cette posture scientifique est faite d’attitudes (curiosité, ouverture d’esprit, remise en question de son idée, exploitation positive des erreurs, etc.) et de capacités (observer, expérimenter, mesurer, raisonner, modéliser, etc.).
Voici les cours physique-chimie de la classe de 3e en France. profiter de cette opportunité de téléchargement gratuit pour mieux préparer votre Brevet.
Utilisation de la vitesse de la lumière : distances dans l’univers
Objectif
La lumière se propage dans le vide et dans l’air à une vitesse de 300 000 km/s.
Il s’agit d’une vitesse si grande que l’homme a longtemps cru que la lumière se propageait de manière instantanée.
Qu’en est-il à l’échelle de l’Univers ?
1. Mesure d’une distance ou d’une durée grâce à la lumière
a. Distance parcourue et durée de propagation
La lumière se propage dans le vide et dans l’air à 300 000 km/s.
Par conséquent, à chaque seconde écoulée, la lumière parcourt 300 000 km.
Il y a proportionnalité entre la distance parcourue par la lumière, notée d, et la durée de sa propagation, notée t.
b. Distance parcourue par la lumière en fonction de sa vitesse et de la durée de sa propagation
Il doit y avoir une cohérence entre les unités utilisées pour que le résultat obtenu soit correct.
c. Durée de propagation de la lumière en fonction de sa vitesse et de la distance parcourue
La relation mathématique précédente entre d, v et t peut également s’écrire sous la forme suivante :
.
Tout comme pour la relation précédente, le résultat trouvé ne peut être exact que si les unités utilisées sont cohérentes.
2. Durée du trajet parcouru par la lumière pour nous parvenir
a. Durée de la propagation de la lumière émise par les objets qui nous entourent
Exemple : Une télévision en marche est située à 3 m d’un téléspectateur. La durée que met la lumière pour lui parvenir peut être calculée grâce à la relation : 
.
La distance parcourue par la lumière est de 3 m donc 
.
La lumière se propage dans l’air donc sa vitesse est de 
.
La distance étant en mètre, il convient d’utiliser l’expression de la vitesse en m/s donc 
.
D’après la relation précédente, on peut donc calculer :
La durée t de propagation de la lumière vaut donc 10 milliardièmes de seconde, ce qui est imperceptible par l’œil humain, dont la persistance de rétinienne est d’environ seulement 5 centièmes de seconde.
b. Durée de la propagation de la lumière émise par les astres du système solaire
Exemple 1 :
La Lune est située en moyenne à 380 000 km de la Terre.
La lumière qu’elle émet met une durée 
pour nous parvenir.
Le trajet de la lumière de la Lune à la Terre a donc une durée de l’ordre de la seconde.
Exemple 2 :
Le Soleil qui est l’étoile centrale de notre système solaire est en moyenne à 1,5 × 108 km de la Terre.
La lumière émise par le Soleil met 8 minutes et 20 secondes pour parvenir jusqu’à la Terre.
3. L’année-lumière et la distance des étoiles
a. Définition de l’année-lumière
L’année-lumière est une unité de longueur qui est adaptée à l’expression des distances gigantesques qui séparent les étoiles et les galaxies.
Par définition une année lumière (notée a.l.) est la distance parcourue en un an par la lumière dans le vide.
b. Valeur d’une année-lumière
Une année-lumière correspond à la distance d parcourue par la lumière pendant une année.
Cette distance peut être calculée grâce à la relation : 
.
Dans le vide, la vitesse de la lumière est 
; et on considère un temps t = 1 an
Il faut donc convertir le temps t en secondes : une année comprend 365,25 jours ; chaque jour dure 24h ; chaque heure dure 60 minutes ; et chaque minute dure 60 secondes.
Soit t = 365,25 × 24 × 60 × 60 = 31 557 600 s.
Donc : 1 a.l = 3 × 105 × 31 557 600 = 9,5 × 1012 km.
Une année-lumière correspond à une distance d’environ 1013 km
c. Distance des étoiles
L’étoile la plus proche du Soleil est Proxima du Centaure.
Elle se trouve environ à 
.
On convertit cette distance en années-lumière : 
La plus proche voisine du Soleil est une étoile située à 4,2 années-lumière.
D’après la définition de l’année-lumière, cela signifie que la lumière que reçue de Proxima du Centaure a été émise il y a 4,2 années.
Notre galaxie, la Voie lactée, s’étend sur environ 100 000 a.l.
La galaxie d’Andromède est la galaxie la plus proche de la Voie lactée, elle est situé à environ 2,3 millions d’années-lumière.
L’essentiel
Il y a une proportionnalité entre la distance parcourue par la lumière (notée d) et la durée de sa propagation (notée t) : .
Dans cette expression, si la vitesse est en km/s, alors la durée doit être exprimée en s et la distance en km.
Si la vitesse est exprimée en m/s, alors la durée doit être exprimée en s et la distance en m.
L’année-lumière est une unité de longueur. Par définition une année-lumière (notée a.l.) est la distance parcourue en un an par la lumière dans le vide.
1 a.l. = 9,5 × 1012 km ; soit environ 1013 km.
