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3e · Chapitre 8 · Des signaux pour observer et communiquer

Lumière et Univers

Cours

0Pour bien démarrer

🎯 Objectifs

  • Utiliser le modèle du rayon lumineux (propagation rectiligne) pour expliquer ombres et alignements.
  • Connaître la vitesse de la lumière et calculer une distance ou une durée.
  • Définir et utiliser l'année-lumière ; convertir les unités de distance.
  • Décrire la structure de l'Univers et utiliser les puissances de dix.

🧰 Prérequis

  • Vitesse $v = d/t$ (ch. 2).
  • Écriture scientifique et puissances de dix (mathématiques).
  • Sources et propagation de la lumière (5e).

🔎 Situation de départ

Le Soleil se couche. Est-il vraiment encore là ? Combien de temps sa lumière met-elle pour nous parvenir, et que signifie « regarder loin » ?

1Propagation rectiligne

Dans un milieu transparent et homogène (air, eau, vide), la lumière se propage en ligne droite. On la représente par un rayon lumineux : une droite fléchée dans le sens de propagation.

Conséquences : la formation des ombres, les alignements (viser à travers des trous), le principe du sténopé (image renversée).

2Vitesse de la lumière

Vitesse de la lumière dans le vide

$c \approx 3{,}00\times10^{8}$ m/s $= 300\,000$ km/s. Dans l'air, la vitesse est quasiment la même.

On utilise $d = c\times t$ et $t = \dfrac{d}{c}$. Exemple : la lumière du Soleil (150 millions de km) met environ 500 s ≈ 8 min 20 s pour nous parvenir : on voit le Soleil tel qu'il était il y a 8 minutes.

3L'année-lumière

Définition

L'année-lumière (al) est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une année : $1\ \text{al} = c\times1\ \text{an} \approx 9{,}46\times10^{15}$ m ≈ $9{,}46\times10^{12}$ km.

Plus un objet est loin, plus sa lumière a voyagé longtemps : voir loin, c'est voir dans le passé.

4Structure de l'Univers

L'Univers est structuré : la Terre (planète) tourne autour du Soleil (étoile) dans le Système solaire ; le Soleil appartient à une galaxie, la Voie lactée (≈ 100 000 al de diamètre) ; les galaxies forment des amas. L'Univers est essentiellement vide.

La matière de l'Univers est faite des mêmes éléments chimiques que sur Terre ; l'hydrogène et l'hélium sont de loin les plus abondants.

ObjetTaille ou distanceOrdre de grandeur
Terre (diamètre)12 742 km$10^{7}$ m
Terre–Soleil150 millions de km$10^{11}$ m
Proxima du Centaure4,24 al$10^{16}$ m
Voie lactée (diamètre)≈ 100 000 al$10^{21}$ m

🧪 Simulation 1 — Le voyage de la lumière

🧪 Simulation 2 — Les puissances de dix

🧪 Simulation 3 — Ombre et propagation rectiligne

Objet de 4 cm de haut ; écran à 100 cm de la lampe (source ponctuelle).

🛠️ Méthode — Calculer une durée de trajet de la lumière

Énoncé

La distance Terre–Soleil vaut $1{,}50\times10^{8}$ km. Combien de temps la lumière du Soleil met-elle pour arriver sur Terre ?

Exemple entièrement rédigé

  1. Données : $d = 1{,}50\times10^{8}$ km ; $c = 3{,}00\times10^{5}$ km/s.
  2. Relation : $t = \dfrac{d}{c}$.
  3. Unités : d en km et c en km/s : t sera en secondes.
  4. Calcul : $t = \dfrac{1{,}50\times10^{8}}{3{,}00\times10^{5}} = 0{,}5\times10^{3} = 500$ s.
  5. Convertir : 500 s = 8 min 20 s.
  6. Interpréter : Nous voyons le Soleil tel qu'il était il y a environ 8 minutes.

⚠️ Erreurs fréquentes

Ce qu’on lit souventCe qu’il faut retenir
❌ L'année-lumière est une durée.✅ C'est une distance.
❌ La lumière arrive instantanément.✅ Elle met 1,3 s depuis la Lune, 8 min depuis le Soleil.
❌ On mélange km et m/s.✅ Utiliser des unités cohérentes : km avec km/s, ou m avec m/s.
❌ Une galaxie est plus petite que le Système solaire.✅ Une galaxie contient des milliards d'étoiles (et de systèmes).
❌ $10^{8}/10^{5} = 10^{13}$.✅ On soustrait les exposants : $10^{8-5} = 10^{3}$.
❌ La lumière ne se propage pas dans le vide.✅ Elle s'y propage (c'est le son qui ne s'y propage pas).

📌 L’essentiel

  • La lumière se propage en ligne droite dans un milieu transparent et homogène (modèle du rayon lumineux).
  • $c \approx 3{,}00\times10^{8}$ m/s = 300 000 km/s ; $d = c\times t$.
  • 1 al = distance parcourue par la lumière en 1 an ≈ $9{,}46\times10^{15}$ m.
  • Voir loin, c'est voir dans le passé.
  • Terre < Soleil < Système solaire < Voie lactée < Univers ; l'Univers est essentiellement vide.

✅ Quiz — je fais le point

Réponds seul(e). Aucune correction n’est affichée : ton professeur fera le bilan avec toi.

1. La vitesse de la lumière dans le vide vaut environ :

2. L'année-lumière est :

3. La lumière de la Lune met environ … pour nous parvenir :

4. $\dfrac{6\times10^{9}}{3\times10^{5}}$ vaut :

5. Le Soleil est :

6. Plus un objet est proche de la lampe, son ombre sur l'écran est :