MESURE DE LA VITESSE DE LA LUMIERE

Le but de cette expérience n'est bien entendu pas d'obtenir une valeur d'une grande précision à même de rivaliser avec les grands labos de physique, mais de montrer que tout un chacun peut parvenir à effectuer une mesure approximative, à condition de posséder un oscilloscope montant à 30MHz (appareil très courant d'entrée de gamme).

Le principe de cette expérience consiste à mesurer le temps mis par un rayon (laser en l'occurrence) pour faire l'aller retour entre le laser, un miroir situé à une quinzaine de mètres, et une photodiode rapide.

Dès lors je peux vous affirmer que le moment où vous verrez le résultat s'afficher sur l'écran de l'oscilloscope sous forme d'un déphasage du signal vous procurera une grande satisfaction!

Voici le schéma que j'ai mis au point:

La photodiode employée est une BPW34. C'est une photodiode PIN rapide. Elle remplace avantageusement le phototransitor précedemment utilisé.

Voici maintenant une série de photos montrant le dispositif en action:

Sur cette première image le faisceau est bien sûr redessiné. Toutefois on voit bien le laser ET le phototransistor réellement illuminés. Comme je vous l'ai dit, le dispositif est expérimental, bien que fonctionnel. Le transfo, par son poids,  assure simplement la stabilité du laser. De même le boîtier de disque dur sert simplement d'embase stable pour le pointage du phototransistor. Afin d'éliminer des biais d'expérimentation, j'ai connecté directement la sonde de l'oscilloscope aux bornes du phototransistor: aucun préampli supplémentaire.

Passons aux choses sérieuses: le réglage de la base de temps de l'oscillo: 100ns/div

Trace du bas: le signal d'attaque du laser.
Trace du haut: la réponse du phototransistor.

Ne disposant pas d'oscillo à mémoire, j'ai tout simplement pris des photos d'écran avec un appareil numérique puis superposé les deux images obtenues avec un logiciel de retouche d'images.

• Trace du bas: le signal d'attaque du laser, qui constitue la référence temporelle.
• Trace du haut: les deux réponses de la photodiode de près puis à 15m60.

On voit que le faisceau le plus long a une amplitude plus petite (n'ayant pas changé les réglages de l'oscillo entre les deux mesures) et est en retard par rapport au faisceau direct. Cette différence d'amplitude (et de forme) constitue la principale source d'imprécision de la mesure temporelle.

• Ce retard est de 100ns (environ).

Je trouve donc pour la vitesse de la lumière le résultat suivant:

15,6m x2 / 100 E-9 s = 312 000 km/s

312 000 / 300 000 = 1,04 soit une erreur de 4% par rapport à la valeur "exacte" (voir plus bas). 

Marge d'incertitude:

Je l'évalue ainsi: +/-2cm sur la distance, et +/- 5ns sur le temps.

valeur mini: 15,58m x2 / 105 E-9 s = 297 000 km/s
valeur maxi: 15,62m x2 / 95 E-9 s = 329 000 km/s 

La valeur exacte étant (dois-je le rappeler ?) égale à 3 E8 m/s, je me réjouis de constater qu'elle figure dans ma fourchette !

Si on ne connaissait pas la valeur exacte, ce sont ces valeurs qu'il faudrait retenir.
ce qui fait une incertitude de +/- 5% soit 10%.

Voilà, voilà, il fallait le faire, je l'ai fait.

Maintenant je suis un peu plus convaincu encore que les scientifiques ne nous racontent pas des conneries!

Pour finir par sur une méditation, on peut comparer ces quelques milliardièmes de secondes que notre lumière met pour parcourir ces 30m aux milliards d'années qu'elle met pour nous parvenir (à la même vitesse) des galaxies lointaines...