XIXe siècle : Fizeau

Hippolyte Fizeau (1819-1896) réalisa en 1849 la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière et obtint 315 000 km/s. Il utilisa un ingénieux système mécanique de miroirs et de roue dentée en rotation (la vitesse de la roue était ajustée pour permettre le passage du rayon lumineux à l’aller, puis au retour après une réflexion sur un miroir).

 

L'expérience de Fizeau se déroula donc en 1849 à Suresnes dans sa propre maison. Il installa une lunette permettant, par un jeu de miroirs, d'envoyer un rayon lumineux à plusieurs kilomètres à Montmartre où se trouvait une autre lunette dont le foyer avait été remplacé par un miroir. La première lunette était coupée par une roue dentée de 720 dents. Celle-ci était entraînée par un moteur capable de tourner à une vitesse considérable pour l'époque.

La roue dentée :
Fizeau n’a jamais dit, ni écrit, comment lui est venue l’idée de piéger la lumière au moyen de la roue dentée. Dans sa « notice sur l’œuvre scientifique de Fizeau », son élève et continuateur Alfred Cornu (1841-1902) se souvenant de conversations avec son maître, formule à ce sujet un certain nombre d’hypothèses. Ce qui est certain, c’est que l’année précédant cette fameuse mesure, Fizeau travaille sur les ondes acoustiques et sur ce qu’on ce qu’on appelle plus tard l’effet Doppler-Fizeau. Au cours de cette étude, il est conduit à utiliser une sirène, appareil comportant une roue dentée tournant devant un ajustage qui fait face à la couronne de dents. Lorsque la roue tourne, le jet d’air émis par l’ajustage est haché périodiquement et la sirène émet un son d’autant plus aigu que la roue tourne vite.
C’est à cette occasion que la roue dentée fait son apparition dans la vie de Fizeau, mais de là à en conclure que c’est la sirène de Savart qui est la source de son inspiration pour la mesure de la célérité de la lumière…
Le principe de la mesure de la vitesse de la lumière au moyen de ce que la tradition désigne sous le nom de « méthode de la roue dentée » est décrite avec précision dans d’innombrables ouvrages. Si dans son principe elle est relativement simple, sa réalisation pratique, comme nous le montrerons plus tard, n’allait pas sans poser de sérieux problèmes techniques dont la solution, à l’époque, était loin d’être évidente.

Voici le principe de l’expérience :
La roue dentée est mise en rotation par le moteur de M. Gustave Froment entraîné par un poids. La lumière parcourt la distance 2d qui correspond au trajet Suresnes/Montmartre/Suresnes (environ 17 Km). La vitesse v est donc l’inconnue d’après la formule v = d/t.
Se référant à la valeur de la célérité de la lumière issue des observations astronomiques de Römer, soit 225 000 km/s, le temps du trajet aller/retour (t = d/v) est donc de quelques 1/18 000ème de seconde. Comme la roue est dotée de 720 dents (1 440 intervalles « dent-creux »), une vitesse de rotation d’environ 12 tours par seconde est un minimum car 12,5 = 18 000/1 440.
Il arrive un moment, lorsque la vitesse de rotation de la roue dépasse 12 tours par seconde, où la durée du passage d’une dent à un creux est exactement égale à la durée du trajet de la lumière. Tant que la roue est animée de cette même vitesse le phénomène se reproduit à chaque dent, donc il se passe ; pour l’œil de l’observateur ; une « éclipse ».
Comme la vitesse de rotation de la roue est très difficile à maintenir constante, pendant chaque éclipse Fizeau enregistre cette vitesse grâce à un compteur. A la fin de son expérience, il obtient une moyenne de 12,6 tours par seconde.

Schéma de l’expérience :


(S étant la source de lumière)

Nous allons faire un petit calcul à la portée d’un lycéen :

Fizeau obtint avec 315 000 km/s une valeur plus que correcte compte tenu des moyens techniques de l’époque .

C’est lui qui effectua la première mesure de célérité de la lumière dans un référentiel terrestre.

En 1850 , Léon Foucault puis Fizeau lui-même constatèrent que la lumière se propageait plus lentement dans l’eau que dans l’air.

Moteur de Gustave Froment entraînant la roue dentée (Il réalisa aussi la turbine de Foucault)