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Chap 14 La relativité du temps

I) 1905 : pourquoi il fallait changer les lois de la physique ?

Galilée et Maxwell sont deux physiciens qui, à trois siècles d’intervalle, ont posé les bases de deux branches de la

physique : la mécanique dite « classique » pour le premier, l’électromagnétisme pour le second. Nous allons voir

comment la confrontation de ces deux théories a conduit les physiciens du XXème siècle à rénover leurs théories

et modèles.

La mécanique de Galilée (1564 – 1642) :

La vitesse d’un système ne peut être définie que relativement à un référentiel. Il n’existe pas

de référentiel « absolu » : les lois de la physique sont les mêmes dans tous les référentiels

galiléens. Ce principe sert de fondement à la mécanique de Newton.

L’électromagnétisme de Maxwell (1831 – 1879) :

La lumière est une onde électromagnétique. La théorie des ondes électromagnétiques de

Maxwell induit que quel que soit le référentiel d’étude et quelle que soit la vitesse de la

source, la célérité de la lumière dans le vide est : c = 299 792 458 m/s

1. Fin du XIXème siècle : deux théories se contredisent : Pourquoi l’électromagnétisme de Maxwell est

incompatible avec la mécanique galiléenne ?

On considère un TGV qui avance à une vitesse v = 300 km·h-1 par rapport au sol. Le passager est assis sur un siège.

a) Le passager, pour se rendre à la voiture bar, marche vers l’avant du train à une vitesse de 5 km·h‒1. Quelle

est sa vitesse par rapport au train ? par rapport au sol ?

Vtrain=5km/h

Vsol=305km/h

b) Même question, lorsque le passager quitte la voiture bar pour retourner à sa place.

Vtrain=5km/h Vsol= 295km/h Intuitivement, vous avez appliqué le principe de composition des vitesses de la relativité galiléenne.

Le passager précédent, toujours dans le TGV, est à nouveau assis, il regarde dans le sens de la marche du TGV. Il

allume une lampe de poche pour éclairer un document placé devant lui.

a) Prévision d’après la mécanique galiléenne : si on étend le principe de la mécanique galiléenne à la lumière, à

quelle vitesse la lumière émise par la lampe se propage-t-elle par rapport au TGV ? Par rapport au sol ?

V train= 3.108 m/s

Vsol= (3.108 – 1,33) m/s 5km/h= 5/3,6 = 1,33 m/s

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b) Expliquer pourquoi la réponse précédente n'est pas compatible avec la théorie de l’électromagnétisme de

Maxwell.

V pour lumière tjs = à 3.105 km/s

2. Preuve historique : Expérience de Michelson et Morley

A la fin du 19éme siècle, Michelson et Morley

mettent au point un appareil très sensible, qui

exploite le phénomène d’interférence. Cela leurs

permet de mettre en évidence une possible

variation de la célérité de la lumière selon que celle-

ci se déplace dans la même direction que le

mouvement de la terre (par rapport au soleil) ou

dans la direction perpendiculaire. Les deux

scientifiques pensaient ainsi observer une figure

d’interférence déformée.

Résultat :

Tjs la même figure dans tous les cas !

II) Postulats d’Einstein :

Dans un article publié en 1905, il énonce deux nouveaux postulats pour expliquer les résultats des expériences sur

la vitesse de la lumière :

- les lois de la physique se formulent de la même manière dans tous les référentiels galiléens.

- la lumière se propage avec la même célérité quel que soit le référentiel Galiléen d’étude.

Rem : La vitesse de la lumière est une vitesse limite, aucun objet ne peut dépasser cette vitesse.

L’une des conséquences est que le temps n’est pas absolu : le temps est relatif au référentiel d’étude.

III) La relativité du temps : Activité doc page245 : A chacun son temps

Le référentiel Rp dans lequel un phénomène se produit en un même endroit est le

référentiel propre.

La durée de ce phénomène dans ce référentiel est appelée la durée propre,

notée Tp

Dans un autre référentiel R, en mouvement à la vitesse v par rapport à Rp, la durée

de ce même phénomène est donnée par :

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IV) Preuves expérimentales de la relativité :

1) Les muons : Activité doc : p246 :

2) Importances des effets relativistes : Activité p 247

Exercices :

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