De la clepsydre à l`horloge atomique : le temps et sa mesure

ACTUALITÉS
PÉDAGOGIQUES
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OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2000 – OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2000 –
De la clepsydre à l’horloge atomique :
le temps et sa mesure
LYCÉE
Lycée Jules Haag - 25000 Besançon (Besançon)
PARTICIPANTS
Professeurs
Pierre BARDET et Dominique SACÉPÉ.
Élèves
Julien FORESTIER, Céline HENRIOT, Sébastien RENAUD et Frédéric RIBERA.
Partenaire
Michel VINCENT (directeur du Laboratoire Temps Fréquence de l’observatoire de Besançon).
PRÉSENTATION DU PROJET
En l’an 2000, et pour des élèves d’un lycée qui fut autrefois une École nationale
d’horlogerie, un choix s’imposait : le temps. Au musée du Locle (Suisse) nous avons vu
une exposition sur le temps et sa mesure : cadrans solaires, clepsydres, horloges à Foliot,
horloges à balancier, montres à quartz, horloge atomique… C’est à l’observatoire de
Besançon que nous avons choisi notre partenaire et vu une des meilleures horloges atomique du monde. Nous avons tenté de réaliser et d’étudier quelques maquettes d’horloges
qui ont marqué l’histoire de la mesure du temps. Ainsi nous avons dû aborder des
domaines de la physique assez variés comme : la dynamique des fluides, la mécanique,
l’électricité et l’électronique.
NDLR : Nous continuons dans ce numéro la publication des résumés des projets présentés au concours des
olympiades de physique 2000, et commencé en février 2001 (BUP n° 831) et octobre 2001 (BUP
n° 837). Nous nous excusons du retard apporté à cette publication.
Nous commençons à la page 611 la publication des travaux des groupes du concours 2001.
Vol. 96 - Mars 2002
Lycée Jules Haag - BESANÇON
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BULLETIN
DE
L’UNION
DES
PHYSICIENS
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MISE EN ŒUVRE DU PROJET
1. Les clepsydres
Nous avons réalisé et étudié trois maquettes :
♦ avec un profil cylindrique on obtient une courbe d’étalonnage non-linéaire ;
♦ avec un profil en r4 (saladier) on obtient une courbe linéaire ;
♦ avec une maquette à débit constant on a pu réaliser un réglage plus facile de la courbe
d’étalonnage.
Figure 1 : Hauteur de liquide dans le « saladier ».
2. Horloge mécanique à foliot
2. (premières horloges mécaniques
XIIIe
siècle) (incertitude 1 h/jour !)
Nous avons réalisé une maquette (cf. figure 2) qui a permis l’étude du mouvement.
Le réglage se fait en modifiant le moment d’inertie d’une pièce appelée foliot. L’énergie
nécessaire à la marche est donnée par un poids. On a la surprise de voir que l’aiguille
recule de temps en temps… Des mesures avec capteur de position nous permettront de
décomposer le mouvement. Cette horloge ne contient pas de résonateur.
Figure 2
De la clepsydre à l’horloge atomique : le temps et sa mesure
Figure 3
BUP no 842
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3. Horloge mécanique à balancier
3. (1657 Huygens) (incertitude 1 min/jour)
Nous avons réalisé une maquette (cf. figure 3) avec un échappement à repos de Graham
qui a permis l’étude du mouvement. Le réglage se fait par la longueur du balancier. Mais
sans apport d’énergie, l’amortissement est inévitable. Les oscillations du balancier ont été
enregistrées et sur un diagramme de phase on a montré comment on peut apporter l’énergie qui permet d’entretenir les oscillations. Cette horloge contient un oscillateur (pendule) dont la fréquence est facile à régler, mais elle est aussi sensible à la gravité.
4. Autres horloges
En 1764 Harrisson remporte le prix offert par le roi d’Angleterre à qui résoudrait le
problème de la mesure de la longitude. Son horloge « H4 » varie de cinq secondes en 81
jours sur la traversée de l’Atlantique ! « H4 » utilise un balancier équilibré insensible à
la gravité associé à un ressort spiral. Nous avons étudié un mouvement de pendulette
électrique des année 70 qui fonctionne sur le même principe. Nous avons aussi (rapidement) observé les oscillations d’un résonateur à quartz et compris la nécessité des circuits diviseurs de fréquence. Avec le quartz la précision de l’horloge atteint la seconde/an.
5. Horloge atomique : 1955
Le 3 mai 2000, à Besançon, Michel VINCENT nous fait visiter son laboratoire Temps
Fréquence et nous présente les trois horloges atomiques qui participent à l’élaboration du
TAI. On évoque les problèmes du transfert du temps et on parle du GPS. Mais que faire ?
Nous décidons de comprendre grâce à une maquette le principe de l’horloge atomique :
comment avec un oscillateur à quartz dont la précision est seulement de 1 s/an peut on
faire osciller les électrons du césium et obtenir une précision de 1 s/10 000 ans ? Notre
maquette comporte un « mauvais » GBF dont la fréquence est rendue instable en fonction de la température et un « bon » résonateur (diapason). Le jeu consiste à asservir (à
la main) la fréquence du GBF sur la résonance du diapason. Le facteur de qualité de notre
résonateur est 230 ; celui de la cavité d’une horloge à césium est 30 000 000 !
6. Le signal DCF 77
Les montres radio-pilotées sont remises à l’heure avec un signal émis de Francfort
issu d’une horloge atomique. Nous avons appris à recevoir et à décoder le signal DCF77
7. Conclusion
Ainsi que nous l’avons indiqué précédemment ce sujet, très vaste, nous a permis
d’aborder de nombreux domaines de la physique mais aussi il nous a conduit à faire le
lien entre les besoins de la société de – 2000 ans à nos jours et les progrès scientifiques
qu’elle a été capable d’effectuer dans le domaine de la mesure du temps.
Vol. 96 - Mars 2002
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