Activité de synthèse Le temps et sa mesure

Activité de synthèse
Le temps et sa mesure
Compétences : -Extraire et exploiter des informations pour justifier l'util isation des horloges atom iques dans la
mesure du temps.
- Extraire et exploiter des informations sur l'influence des phénomènes dissipatifs sur la
problématique de la mesure du temps et la définition de la seconde.
Consigne :
À l'aide de vos connaissances et des documents ci-dessous , rédigez un texte présentant la problématique de
l'ut ilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps et sa conséquence sur la définition de la seconde.
Dans une première partie, vous ferez un tableau récapitulat if , mettant en évidence les différents instruments
de mesure du temps (nom , époque, principe de fonctionnement). Vous les présenterez dans un ordre
chronologique.
Dans une deuxième partie, vous expliquerez les qualités attendues d'une horloge pour justifier l'utilisation des
horloges atomiques dans la mesure du temps. (Environ 10 lignes)
Dans une troisième partie, vous expl iquerez l'évolution de la définition de la seconde. (Environ 10 lignes)
Les gardiens du temps (Les carnets du CNAM)
Document 1 :
L'ÉCOULEMENT OU TEMPS
•
Ou gnomon à la coquille d'œuf
De tout temps, l' homme a dû s'adapter à la nature. la vaincre et
organ1ser sa vie L'alternance des jours et des nu1ts ainsi que le
mouvement du soleil dans le ciel offrant des découpages naturels, le reperage du temps s'est longtemps fait à l'aide d'éléments astronomiques. Plus tard. avec les premiers développements techniques, l'utilisation d 'autres éléments naturels, comme
l'eau ou le sable. permettra la mesure des durées.
Cous1ne du cadran solalfe, la clepsydre se développe à la méme
époque en Egypte. Il s'agit d' un vase tronconique en terre cuite
dont le fond est percé d'un orif1ce par lequel l'eau s'échappe. Au
fur et à mesure que l'eau - et le temps -s'écoulent. ils la1ssent
apparaître, sur les bords du vase. des lignes de n1veaux carres·
pondant aux d1fférentes durées
Contralfement aux cadrans solaues qu1n'assurent qu ' un repéra·
ge par la valeur instantanée du temps, les clepsydres permettent
la mesure de durées. Elles sont notamment utihsees par les Grecs
pour la répartitiOn de leur temps de pla1do1ne.
Le XIV' Siècle VOlt apparaître un autre 1nstrument mesurant des
durees : le sablier. €gaiement fondé sur un pnncipe d'écoulement. il est plus transportable que la clepsydre. Le sable s'écoule
d'un réservolf à l'autre en une durée déterminée. Cependant, de
par ses propnétés abrasives. il érode le goulet d'etranglement
lors de son passage, d'où son remplacement par des coqu1lles
d'œufs pilées pour pall1er cet 1nconven1t>nt. Les durées mesurees
à partir de sabliers sont très vanables . Elles vont de quelques
secondes à plus1eurs heures
À l'époque des grandes découvertes. en particulier celle des
Aménques par Chnstophe Colomb, les marins s'en servent auss1
b1en pour mesurer la durée de leurs quarts que pour se pOSitiOnner en mer.
Grand astrolabe d'Arsemus.
1569. inv. 3902
Tout comme l'ombre des arbres au soleil qu1 tourne du matin au
soir, une tig·e vertiCale plantée dans le sol permet aux astronomes
égyptiens. dés 2500 av. J.-C., d'utiliser le mouvement apparent
du soleil dans le ciel pour se repérer dans le temps. Cet mstrument nommé gnomon détermine l'heurt> en fonction de la longueur de l'ombre qu'il projette au sol. Trés allongée le matin et le
soir. l'ombre tourne en accusant un minimum au m1d1 solaire
Situé vers le sud .
Un millier d'années plus tard. des améliorations sont apportées
au gnomon. La tige devenue « style ». est inclinée de telle sorte
qu'elle soit parallèle à l'axe de rotation de la Terre. Le style est
fixé sur un socle, la " table »,où l'heure se lit en observant
l'angle formé entre l'ombre du style et des graduations pré-établies.
Ainsi apparaît le cadran solaire. premier instrument donnant
véntablement l'heure. bien que peu précis voire totalement inutile en cas de nuages ou de nuit.
Double cadran sol<llfe
horizontal de
BenJamin Scorr.
vers 1715. mv. 3876.
On trouve les premières traces de l'astrolabe - qu1 sign1fie en
grec « prendre les étoiles » - dans les écrits grecs. il constitue
une projection de la voüte céleste sur un plan. À l'aide de v1sées
d'étoiles, il permet de lire l'heure, de se situer dans l'année et
d'effectuer des mesures topographiques. Difficile d'emploi, il est
utilisé par des spécialistes. notamment les astronomes.
Document 2
LE TEMPS MÉCANISÉ
Jusqu· a la f1n du Moyen Age. 1" agnculture dom1ne : les gens
vivent au rythme du soleil. Le beso1n de connaître preosÉ'ment
l' heure n'est donc pas primo1d1al.
.A partir du Xlii' siècle. les v1lles se developpent. et de nouvelles
aŒvités appara1ssent. notamment le commerce et l"art1sanat
pour lesquels une me1lleure maitnse du tl'mps eS1 necessa~re .
a chaque mstant il faut savo1r l'heure.
Les premières horloges qu1 vo1ent le jour sont hydrauliques.
Ong1nellement. elles sont employées pour mettre en mouvement
des automates. Dans un dewuème temps. elles sont mumes
d'une a1guille qui permet d'afficher l'heure. Rapidement. des
poids-moteur remplacent l'eau qu1 s'ecoule. Leur chute, régulée
par un foliot, entraîne une série d'engrenages reliés l'affichage
des heures. Quant à l'aiguille des nunutes, elle n·apparaitra
qu· au XVI' SièCle.
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ObJet d'apparat ou 111strument SCientifique de préCISIOn, les hor·
loges sont longtemps leStees des prodUits de luxe reservés aux
tlasses pr<vllég1ées. En outre. une ,1ttent1on toute particuhere es1
portee a leur aspect décor anf
Le XVIII' s1ecle vo1t S€' développer des hm loges de manne sous
l'mfluence des contramtes de la nav1gat1on qu1 se développe .
Pour assurer un bon pOSitiOnnement d<1 navire en longrtude. 11
fallart que les horloges sotent extrêmement précises. ce que ne
permetta1ent pas les sabliers un décalage d'une mmute par
sema.ne entrainart une erreur de 30 km a la surface du globe '
On comprend alors l'ltlcertltude des tracés des prem1eres cartes
mannes a l'époque ou l'on ut11isa1t encore les sabliers !
En 1714, le parlement angla1s offre une récompense de 20 000
livres à qu< trouvera un moyen de déterminer precisement la longitude Après 40 ans de recherche. I"Angla1s John Harrison
décroche le prem1er pnx. face au rrança1s Le Roy. en proposant
un chronomèue préciS a 30 secondes près ... par an ' Un autre
grand nom de l'horlogerre. le Su1sse Ferdinand Berthoud. met au
pomt un système de gnls mètalltques entrecro1sés au sein de ses
horloges Ce procède astuCieux contrecarre les eHe1s de dilatation provoqués par les changements de température
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orowdil
ScMma d'une horloge a foliot,
vers k Xlii Siècle
Dessin de Mar1e-Manhe Collin
-
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En 1657, Christ1aan Huygens, s'appuyant sur les travaux de
Gahlèe. remplace le foliot par un pendule dont les battements
pénodiques servent de régulateur. découpant le temps en quantttés égales. Par souo de miniatunsat1on, les poids et le pendule
sont remplacés par des ressorts en forme de spirale. beaucoup
moins encombrants. À la fm du XVII' siécle, la précision des horloges est d'une dizaine de secondes par jour, ce qu1 est extrêmement précis pour un usage courant. Les cadrans solaires permet·
tem leur remise à l'heure régulière. Il n'est ains1 pas rare de voir
des cadrans mmiatures mcorporés dans le couvercle des montres
de l'époque.
Document 3
•
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.........
La premiere horloge à pendule de Huygens.
Oe~in de Mani!-Marthf! Collin
Le « temps décimal » : un essai révolutionnaire
L,, pénode de la Révolution lrançaise est caracterisee par de
nombreuses rem1ses en ques110n. tant soc1ales que politiQues,
èconom1ques ou sC1ent1f1ques L'ense>mble des systèmes de mesure
est reman1é Le mètre. le kilogramme er le htre ainsi que leurs
subd1V1S1ons déCimales sont mstrtués ils sont tOUJours en vigueur
dUJOUrd'hw. Les un1tés de nwsure du temps nf' sont pas epargnèes. Le ci!lendner revolutionnam! avec ses semames de d1x
JOurs est m1s en place. Quant aux 7.4 heurPs hab1tuelles, elles
sont remplacP~>s par 10 heUies JOWnahéres qu1 se déco11•posent
en i 00 n11nutes chacun•'. au heu de 60 auparavant. Ma1s le
'' temps décimal • n'est JamaiS p<~S'>è dans les habitude~. Après
quelques onnèc•s, 11 est abdndonné au pr(Jfrt dt· l'ancum déWtJPd·
ge en 24 heures et 60 mmute>.
•
La précision à portée de main
Durant it-s années 1970 un nouveau type de montres et d'hor·
loges apparait. pourvu d'un mouvement d:t « a quartz ,., alunente par unt> p1le &lectnque. Le quartz y JOue le 1ole de regL•Iateur
dont le couplage avec unt> puce èlectron1que permet l'émissron
de pulses marquant. les secondes. L·afhchage n'est plu> systerna\lquement à a1guilles ma1s peut ètre nu111e1ique
Cent fois plus préCises que les systèmes mècan1ques. les montres
et pendulettes a quartz constituent auJOurd'hui des produrts de
consornrna!lon a la fois préŒ et bon marcl1o'.
•
L'atome au service du temps
Hv,loge révolut,onnJII"C rif.' l t? Paute
Sur le cadrùn m peut lire- un doulJii! afftehiJg~. en chtffres ~vabt.~s.
les 10 heure tevolultO(lfkHH.>s er. -!" r!liftres t01lMJn!J, le!t .?rl heores
hdiJ<!ueiiP.<. 1715-ISOO. "" 14568
xx-
La deuxrème part<e du
siecle a vu naître les horloges ato·
rn1ques. horloges d'une précision extrême. Elles sont le frUit des
progrès de la SCI!mce tant dans le domame de la physique ato·
rn1que que de l'électromque. Leur pnncipe repose sur le décompte des transit1ons entre des niveaux d'énergie de certa111s atomes
comme le césium, l'hydrogène ou le rubidium.
•
La seconde moderne
Longtemps la seconde a ete considérée cornrne une fract1on du
JOur sola 1re moyen ( 1/86 400) . Cene defmition est devenue obso·
lète compte tenu . d'une part, des precisions chaque JOur grandissantes des dispositifs astronomiques et. d·autre part. de l'irrégulallté des mouvements terrestres. Aussi, depws 1967, la seconde
est fondee sur la fréquence d'une vibration atorn1que . Elle est
dehme comme " la durée dt> 9 192 631 770 pénodes de la
rad1at1on correspondant ii la transition entre les deux n1veaux
hyperf1ns de l'etat fondamental dt> l'atome de cès1urn 133 ,,