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Le laser survolant Nice

Du 21 au 24 octobre 2010, le ciel niçois sera traversé par un laser. Reliant l’Observatoire du Mont Gros au MAMAC, ce rayon vert permettra de mesurer la vitesse de la lumière. Cette expérience rend hommage à la mesure de c réalisée à Nice à la fin du XIXème siècle en la recréant sous une forme moderne. L’expérience originale s’inspirait de celle réalisée par Hippolyte Fizeau en 1849 à partir de la méthode de la roue dentée. Dans la version actuelle, la roue dentée est remplacée par un modulateur acousto-optique... et la lumière par un laser !

L’expérience est représentée sur la figure suivante :

Le faisceau laser est réfléchi à l’aide d’une lame semi-réfléchissante vers le modulateur acousto-optique. Cet élément agit comme une porte qui s’ouvre et se ferme avec une périodicité donnée.

Chaque ouverture et fermeture de porte permet de hacher le faisceau qui passe de continu à discontinu. Chaque impulsion de lumière laser est ensuite envoyée à travers le télescope Coudé de l’Observatoire vers le MAMAC. Un miroir se situant au sommet du musée permet de renvoyer la lumière vers l’Observatoire. L’impulsion doit alors à nouveau traverser le modulateur acousto-optique pour arriver au détecteur. Si le temps d’ouverture de cette « porte » est suffisamment long, la lumière a le temps de parcourir l’aller-retour pendant la même ouverture de porte (voir figure suivante). La lumière est alors détectée.

L’astuce de la mesure consiste à réduire progressivement ce temps d’ouverture pour trouver le temps pour lequel la lumière revient avec une porte fermée.

Ce temps est alors le temps de parcours aller-retour de la lumière. La connaissance de la distance entre l’Observatoire et le MAMAC (3,125 km) permet de déduire la vitesse de la lumière.

Quelques chiffres :

  • distance Observatoire- MAMAC : 3 125 m ± 20 m
  • temps mis par la lumière pour faire l’aller-retour : 0,000021 s soit 21 µs
  • puissance du laser : au départ 5 W, au retour 5 mW
  • fréquence du modulateur acousto-optique : 25 kHz pour avoir un temps de fermeture de la porte de 20 µs
  • diamètre du faisceau dans le ciel : 40 cm

Origine de quelques incertitudes sur la mesure de c :

  • une incertitude de 20 m sur la distance (mesure à l’aide d’une carte IGN ou par GPS classique) donne une erreur sur c de 2000 km/s
  • une incertitude de 10 cm sur la distance (utilisation d’un GPS pro) donne une erreur sur la mesure de c de 10km/s
  • une incertitude sur la mesure de la pression atmosphérique de 50 hPa (50 mbar) donne une erreur sur la mesure de c de 4km/s (rappel : la pression atmosphérique normale est de 1013 hPa)
  • une incertitude sur la mesure de la température de 2 °C donne une erreur sur la mesure de c de 0,6 km/s
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