Décembre 2019 : l’appareil de Foucault pour mesurer la vitesse de la lumière

Appareil pour mesurer la vitesse de la lumière de Foucault – Mus’X  © Collections École polytechnique

Léon Foucault effectue une première expérience du calcul de la vitesse de la lumière en 1850. Il prouve alors que la lumière se déplace plus vite dans l’air que dans l’eau. Il ne va préciser ses résultats qu’en 1862 avec une nouvelle expérience dotée d’instruments de mesure plus précis.

Foucault effectue ses calculs en laboratoire à l’aide d’un dispositif constitué de 5 miroirs concaves, un héliostat, une mire graduée, un mouvement d’horlogerie et un miroir tournant alimenté par une turbine et c’est ce miroir tournant qui est la clef de voûte du dispositif.

Le principe de l'expérience consiste à envoyer la lumière d'une source intense, à travers une mire graduée, sur le miroir tournant qui la réfléchit vers les cinq miroirs, de sorte que la lumière revienne en sens inverse après le dernier miroir.

Miroir tournant de l’appareil pour mesurer la vitesse de la lumière de Foucault – Mus’X © Collections École polytechnique ©Lebée/Inventaire Général

Appareil pour mesurer la vitesse de la lumière de Foucault - Cours de physique de l'École polytechnique de Jules Jamin, 1885-1906 © Collections Ecole Polytechnique

Foucault réalise alors plusieurs expériences avec différentes vitesses de rotation du miroir. Lorsque la vitesse est faible ou quasiment nulle, cela n’a aucune conséquence sur le trajet du faisceau lumineux. En revanche lorsque le miroir tourne à une vitesse suffisante, la trajectoire de la lumière est alors impactée.  En effet le miroir s’est légèrement décalé lorsque la lumière fait un aller et retour, entrainant donc la déviation du faisceau lumineux facile à déterminer grâce à la mire graduée.

Dispositif d’horlogerie issue de l’appareil de Foucault pour mesurer la vitesse de la lumière– Mus’X © Collections École polytechnique ©Lebée/Inventaire Général

A l’inverse la mesure de la vitesse de rotation du miroir est plus complexe. C’est là que l’ingéniosité de Foucault intervient en mettant en place un mouvement d’horlogerie (photo).  Cet appareil est doté d’une roue dentée (à l’extérieur) d’une vitesse de 400 tours par secondes. La roue est alors placée entre le viseur et le retour de la lumière de telle sorte que lorsque le miroir (qui reflète le faisceau lumineux final) et la roue atteignent la même vitesse, la roue semble immobile par un effet stroboscopique.

En connaissant la vitesse du miroir tournant, la distance parcourue par la lumière et le décalage du faisceau, Foucault a pu établir que la vitesse de la lumière était de 298 000 km/s (la mesure établie est actuellement fixée autour de 299 792 km/s).

La réalisation de ces objets fut confiée à Gustave Froment (X 1835, 1815-1864). Certains portent la signature du fabricant d'instruments scientifiques. Le système d'horlogerie est lui signé “ Dumoulin-Froment ”, l'entreprise qui succéda à celle de Froment de 1865 à 1890, indice qu’il s’agit d’une réplique conçue pour les besoins de l’École polytechnique.

Planche issue du « Recueil des travaux scientifiques de Léon Foucault », Paris, Gauthier-Villars, 1878 © Collections École polytechnique.

 

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