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La mesure de la vitesse de la lumière

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Publié le : samedi 7 janvier 2006, par  Michel SAMOEY





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La mesure de la vitesse de la lumière

2005 : l'année mondiale de la Physique.

A Paris, on réédite l'expérience de Fizeau entre l'Observatoire et la butte Montmartre distant de 5,5km en utilisant des moyens modernes. voir le site http://www.physique2005-idf.com/IMG/pdf/Exp-Fizeau-AMP.pdf

Frédéric Brame, électronicien et astronome, a réalisé une expérience de la mesure de la lumière avec un laser modulé à 3,2Mhz. http://frederic.brame.free.fr/electron/vitlum/vitlum.htm.

Plusieurs membres du CARL désirent eux aussi tenter l'expérience.

Nous gardons l'idée de Frédéric mais voulons l'adapter afin d'obtenir un montage plus pédagogique.

Principe retenu : voir à l'oscilloscope le top de départ et le top de retour d'une émission de lumière. Le trajet de la lumière doit être de l'ordre de 100m soit 50m aller-retour.

Schéma de principe :

C : vitesse de la lumière, V : vitesse de l'électricité

pour la voie 1, le temps t1 est égal à D0/C + D1/C + retard dans le récepteur 1 + L1/V + retard dans l'ampli voie 1 du scope

pour la voie 2, le temps t2 est égal à D0/C + 2D/C + D2/C + retard dans le récepteur 2 + L2/V + retard ampli voie 2 du scope

Si L1=L2, D1=D2, les récepteurs absolument identiques et les amplis du scope absolument identiques, l'écart t entre t1 et t2 sera de 2D/C

D'où C= 2D/t.

On s'attachera donc à réaliser 2 récepteurs identiques (résistances 1%), des câbles identiques.

On positionnera les récepteurs et le miroir semi-reflecteur de façon à avoir D1=D2

La distance D sera évaluée entre les 2 miroirs.

1) Etude de l'émetteur

a) création du top

Le temps t est évalué pour 100m est de 100/300 000 000 = 333 ns.

Afin que le montage soit pédagogique et afin de se réserver la possibilité d'utiliser un seul récepteur (avec un montage optique adéquat), l'impulsion de départ doit avoir une durée inférieure à 100ns.

Afin d'éviter le scintillement à l'écran, ce signal doit se répéter régulièrement. Une période de 16 fois la durée de l'impulsion a été retenue.

La durée de l'impulsion impose des circuits rapides. Le choix s'est donc porté vers des circuits logiques 74HC

b) commande du laser

Le laser nécessite un contrôle de sa puissance émise afin d'éviter sa détérioration.

Après avoir détruit 2 diodes lasers, on s'est résolu à utiliser un pointeur laser du commerce.

Les premiers essais ne furent pas concluant : le laser ne démarrait pas franchement. Ce mauvais fonctionnement était sans doute dû au circuit de régulation interne au pointeur laser.

Une erreur de manipulation nous a fait découvrir une solution : il faut faire fonctionner le laser en permanence et lui envoyer des tops d'arrêt ou des tops de surtension. C'est cette dernière solution qui a été retenue.

c) schéma final

Le pointeur laser est alimenté en permanence sous 5 v. Il émet donc normalement un rayon lumineux. Ce rayon permet de faire les réglages d'alignement.

A intervalle régulier ; le pointeur est soumis à une tension de 10v pendant 60 ns, son système de régulation interne n'a pas le temps d'agir. Il envoie donc une brève impulsion lumineuse en plus de l'émission normale.

2) Etude des récepteurs

Deux récepteurs identiques sont utilisés, l'un pour évaluer le top au départ, l'autre pour évaluer le top au retour

Le signal lumineux est reçu sur une photodiode. Le signal est d'amplitude suffisante pour être vu sur un oscilloscope. Mais en raison de la fréquence des signaux, il faut rendre inopérant les capacités parasites. Un montage collecteur commun est donc utilisé permettant de transmettre le signal sous faible impédance.

3) Etude de l'alimentation

Le 5 v des circuits logiques de l'émission est crée sur la platine émission par un 7805.

Les récepteurs et la platine émission sont alimentés en 10v. Afin d'atténuer les impulsions de courant dans les câbles, une résistance suivie d'un condensateur sont installés à l'entrée de chaque platine.

4) Les circuits imprimés

5)L'installation :

La mesure de la célérité de la lumière a été mise officiellement en service à l'occasion de la fête de la science. Le CARL avait crée un village astronomie au sein de la ferme du héron à Villeneuve d'Ascq (à proximité de Lille).

Le miroir est installé à 2,50 m de haut et à 31,727 m de l'installation

Le coffret émission :

Le coffret réception

La mesure :
Nota : sur cette photo, les traces ont été décalées verticalement pour faciliter la vision. Pour réaliser la mesure, il faut qu'à l'écran les "0" des signaux soient au même niveau.

6) Les résultats

La distance parcourue par la lumière était de 2 fois 31,727m soit 63,454 m

Le temps relevé sur l'oscilloscope entre les 2 impulsions était de 260 ns

Le calcul donne donc une célérité C=308029km/s soit une erreur de 2,7%

Précision de lecture à l'oscillo : +/- 5ns

Précision de mesure de la distance D : +/- 0,0015m (télémètre laser)

°°°°°°°°°°°°°

Ont collaboré à la réalisation de ce montage :

Conception partie électronique : Luc, Jean, Jean Paul et Michel

Réalisation des circuits imprimés : Jean

Soudure des circuits : Michel

Réalisation du coffret émission : Jean Paul

Réalisation partie optique : Jean Paul et Stéphane



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Auteur :



Michel SAMOEY

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