Galilée

La tentative de Galilée est simple: deux hommes munis d'une lanterne et placés à une distance de quelques km , font l'expérience suivante : le premier découvre sa lanterne en déclenchant une horloge , le second découvre la sienne dès qu'il aperçoit le signal lumineux et le premier arrête son horloge dès qu'il voit le signal lumineux. La lumière semblait revenir instantanément. En effet, le temps de réaction moyen d'un homme est d'environ une seconde. Or, en une seconde, la lumière a le temps de faire près de 7 fois le tour de la terre. Galilée ne conclut cependant pas que la lumière a un déplacement instantané. Il pense plutôt que la vitesse de la lumière est trop grande pour être mesurée avec les moyens dont il dispose.

Olaüs Roëmer

Io, un des satellites de Jupiter, a été découvert par Galilée en 1610. Les lois de Kepler, découvertes par Johannes Kepler et Isaac Newton, permettent - entre autres - de calculer à quelle heure Io disparaît derrière Jupiter (et devient donc invisible depuis la Terre), et à quelle heure elle réapparaît.

Cependant, en 1676, des mesures effectuées à plusieurs reprises révèlent un phénomène étrange: parfois Io respecte les prédictions des lois de Kepler. Et, plus tard dans l'année, Io réapparaît avec plusieurs minutes de retard. C'est Olaüs Roëmer qui comprend le premier la raison de ce retard: ce serait l'éloignement progressif entre la Terre et Jupiter, et donc Io, qui serait à l'origine du retard.

Image extraite de la vidéo qui sera présentée lors de l'oral.

Hyppolite Fizeau

Hippolyte Fizeau est le premier à tenter de mesurer la vitesse de la lumière sur Terre. Il place sa machine sur son balcon, à Suresnes, en région Parisienne.

La lumière provenant de l'ampoule arrive sur une lame semi-réfléchissante. Cette lame laisse passer une partie de la lumière et réfléchit le reste à 90°. Le rayon réfléchi arrive sur la roue dentée. Là, il y a deux possibilités.

• Soit le rayon heurte une dent et s'arrête.
• Soit il passe entre deux dents et continue son chemin jusqu'au miroir.

Ce miroir se trouve à plusieurs kilomètres de là, à Montmartre. Lorsqu'il est réfléchi par le miroir, le faisceau de lumière repart vers la roue dentée, et arrive de nouveau sur la lame réfléchissante. Là, une partie du faisceau est réfléchie vers la lampe et donc perdue. L'autre partie traverse la lame reviens ver l'oeil de l'observateur.

Résultat, on observe que la lumière reçue clignote : parfois les rayons passent, parfois ils sont arrêtés par la roue dentée. Mais Fizeau ne les voit pas clignoter. En raison du phénomène de persistance rétinienne, il voit de la lumière tout le temps.

Fizeau augmente alors la vitesse de rotation de la roue dentée. Progressivement. En augmentant peu à peu la vitesse de sa roue, il remarque qu'à partir d'une certaine vitesse, on ne voit plus du tout de lumière: la lumière passe à l'aller, et est arrêté par une dent au retour.
Le temps mis par la lumière pour faire l'aller-retour entre Suresnes-Montmartre est égal au temps mis par une dent pour passer devant le faisceau. Fizeau peut mesurer la vitesse de rotation de la roue, il connait l'angle entre deux dents. Il connait également la distance entre son balcon et celui de Montmartre. Il ne lui reste plus qu'à calculer la vitesse de la lumière.

Léon Foucault

Léon Foucault a longtemps travaillé en collaboration avec Hippolythe Fizeau. Ensemble, ils ont notamment obtenu en 1845 la première photographie nette du Soleil. Cependant, leurs avis divergent sur le meilleur moyen de calculer la vitesse de la lumière. En effet, Foucault utilise une autre technique que la roue dentée de son ancien complice: celle du mirroir tournant.

En 1862, Foucault utilise un miroir, qui tourne à grande vitesse grâce à une soufflerie.

Quand un faisceau de lumière, preovenant de la source lumineuse, atteint le miroir tournant, celui-ci se trouve dans une position que nous appelerons p₁. La lumière est réfléchie et part en direction d'un miroir fixe, qui la renvoie vers le mirroir tournant. Mais le temps qu'elle y arrive, le mirroir a tourné, et se trouve maintenant en position p₂. L'angle entre p₁ et p₂ est appelé α.

La normale au miroir tournant, en position p₂, est représentée en rouge. Selon la deuxième loi de Descartes non peut dire que i' = i. En définitive, le faisceau revient vers la source en formant un angle 2α avec la direction prise au départ. En bas, sur la source lumineuse, une mire graduée permet de mesurer la distance entre le point de départ et le point d'arrivée du rayon lumineux. On peut déterminer ainsi l'angle 2α. Comme on connait la vitesse de rotation du miroir tournant, on peut en déduire combien de temps a duré le "voyage" de la lumière. Comme une vitesse est égale à une distance sur un temps, on peut calculer sa vitesse.

Cependant, l'expérience réalisée par Foucult était plus complexe: en effet, la lumière, avant de retourner sur le miroir tournant, etait réléchie dans un système de miroirs, parcourant au total une distance de 40,4 mètres.

Ainsi, Léon Foucault trouve une vitesse de 298 000 km.s^-1, avec une imprécision de 500 km.s^-1.