TPE: La vitesse de la lumière
Expérience d'Hippolyte Fizeau
Hippolyte Fizeau, issu d'une famille aisée, fit des études de médecine qu'il abandonna pour la physique où il se perfectionna pour l’optique. Il travailla avec Léon Foucault jusqu’en 1850 sur la photographie et en 1845 ils prirent la première photographie du soleil. Il découvrit en même temps que l'autrichien Christian Doppler, en 1848, « le déplacement de la longueur d'onde du son et de la lumière quand la source s'éloigne ou se rapproche de nous » (effet Doppler-Fizeau). Il reçut en 1856 le prix triennal de l’Institut impérial de France de l’Académie des sciences pour avoir fait la première mesure directe de la vitesse de la lumière (Comptes rendus en 1849 T.29) faite en 1849.
Aidé par Gustave Froment, un fabricant de machines très adroit, Hippolyte Fizeau mit au point une machine capable de mesurer la vitesse de la lumière sur terre.
Fizeau plaça une lumière sur le balcon de sa maison à Suresnes afin d’obtenir une puissance suffisante, on utilisait à son époque de la craie incandescente. Il installa une lunette permettant, par un jeu de miroirs, d'envoyer un rayon lumineux à 8 kilomètres à Montmartre(8 633 m) où Fizeau avait positionné un miroir.
Le faiseau lumineux était réfléchi à Montmartre par une lame de verre semi-réfléchissante inclinée à 45 degrés. La lumière qui était donc réfléchie, repartait en sens inverse jusqu’à Suresnes où Fizeau l'apercevait dans son œilleton après qu’elle ait franchi la lame de verre. Fizeau , sur sa machine avait également positionné une roue dentée situé à la source d’émission sur la trajectoire de la lumière. Cette roue pouvait obtenir différentes vitesses. A l’arrêt, la lumière passait entre deux dents pour aller frapper le miroir à Montmartre et revenir vers Fizeau qui observa un point lumineux dans l’œilleton. Si la vitesse de la roue dentée était faible, le faisceau, qui à l’aller passait entre deux dents, au retour y repassait, et Fizeau pouvait voir de la lumière dans l’oculaire(œilleton).
Quand la roue tournée à une très grande vitesse, le point de lumière apparaissait puis s’évanouissait dans l’œilleton. Puisque la lumière passait à l’aller entre deux dents, au retour elle venait buter contre une dent ainsi le point lumineux disparaissait de l’œilleton.
Le temps qu’avait mis la dent pour remplacer le trou par lequel la lumière était passée à l’aller, correspondit au temps qu’avait mis la lumière pour faire l’aller-retour.
Grâce à un compteur positionné sur la machine et Fizeau remarqua que le phénomène était observé lorsque la roue atteignait 12,6 tours par seconde.
Ainsi, Fizeau en déduisit que le temps que met une dent pour remplacer un creux est de 55 microsecondes. La lumière met donc 55 microsecondes pour faire l’aller-retour Suresnes-Montmartre de 17 266 m.
Fizeau estima donc, en 1849, que la vitesse de la lumière atteignait 315 300 km/s. Fizeau fut décoré de la légion d’honneur. Même si son résultat manque de précision Fizeau a été le premier à avoir installé un dispositif capable de suivre le trajet de la lumière et de mesurer sa vitesse sur terre.
