TS-III.4-ACT-Mesure du tps

TS - III.4
Travail, énergie et oscillations
Activité
M
Mo
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Compétences attendues :
• Extraire et exploiter des informations relatives à la mesure du temps pour justifier l’évolution de la définition de la
seconde.
• 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.
• Extraire et exploiter des informations pour justifier l’utilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps.
Introduction :
Seconde après seconde, minute après minute, mois après mois, année après année, le temps passe… Combien
de fois par jour regardes-tu ta montre ? Essaye de compter et tu seras surpris !
Dès le réveil, nous sommes conscients du temps qui passe. Le temps régente nos vies, nous dit quand nous
lever, quand aller à l’école ou au travail, quand prendre le bus, quand manger, quand rencontrer nos amis et quand
aller au lit.
Problématique :
La seconde est un étalon de mesure du temps. C'est une grandeur de référence qui doit être précise,
reproductible, donc immuable. Pendant longtemps, elle a été définie à partir du jour solaire moyen,
mais les découvertes scientifiques et les innovations techniques ont conduit à en donner une nouvelle
définition.
Dans quel but la définition de la seconde a-t-elle évolué?
Quels avantages présente l'utilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps?
Documents 1 : La mesure du temps Extrait de C. SALOMON,XV séminaire Poincaré, «Le Temps »
Depuis l'Antiquité, les hommes ont toujours cherché à mesurer le temps ou, plus précisément,
les intervalles de temps. Ils se sont d'abord tournés vers les phénomènes naturels qui présentent une
grande régularité comme la rotation de la Terre autour du Soleil, la rotation de la Lune autour de la
Terre ou encore la rotation de la Lune sur elle-même pour définir des calendriers et des échelles de
temps. Ils ont ensuite cherché à réaliser eux-mêmes des instruments toujours plus précis et l'un des
plus anciens instruments est connu sous le nom de sablier égyptien. Cependant, il faudra attendre le
début des années 1600 et la découverte du pendule par GAULÉE et sa mise en pratique par
HUYGENS pour que ces instruments commencent à atteindre une précision de l'ordre de quelques
dizaines de secondes par jour.
Documents 2 : Le quartz, un matériau piézoélectrique
Le quartz est un minéral composé de dioxyde de silicium de formule Si02
(silice).
Il est piézoélectrique, c'est-à-dire qu'il vibre avec une fréquence stable
lorsqu'il est stimulé électriquement.
Inversement, s'il est mis en oscillation mécanique, il émet un signal
électrique, stable également, de la même fréquence.
Documents 3 : Des horloges de plus en plus précises
La définition de la seconde a évolué au cours du temps.
Avec l'avènement des mesures astronomiques,
les astronomes se sont aperçus que la rotation de la
Terre autour de son axe n'était pas uniforme. Sa vitesse
diminue sensiblement et, de fait, la durée des jours
augmente.
Ce ralentissement est principalement généré
par l'effet des marées. Sous l'action des forces exercées
essentiellement par la Lune, la Terre se déforme.
Il apparaît des bourrelets océaniques créant des
frottements qui ralentissent sa rotation.
Dans les années 1960, la définition de la seconde
comme étant 1/86 400e du jour solaire moyen est donc
abandonnée. Aujourd'hui, la seconde est définie comme
la durée nécessaire pour qu'il se produise 9192631770
oscillations au sein de l'atome de césium 133.
On parle de temps atomique.
j∞f La vraie science est une ignorance qui se sait.
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Évolution de la précision de la mesure du temps
au cours des années (source: C. SALOMON).
Documents 4 : L'horloge atomique, pourquoi et comment?
Pourquoi des horloges atomiques?
Les horloges atomiques permettent d'obtenir un oscillateur stable de très courte période,
sans perte d'énergie, ce qui améliore grandement la précision de la mesure du temps.
Comment ça marche?
Un atome peut exister sous différents
Une horloge atomique utilise la période de
niveaux d'énergie. Ces énergies ne peuvent cette onde électromagnétique.
prendre que des valeurs bien précises,
Le signal utile d'une l'horloge atomique est
caractéristiques de la nature de l'atome.
le signal délivré par un oscillateur macroscopique
Pour passer d'un niveau d'énergie à un à quartz, contraint d'osciller à la fréquence du
autre, l'atome reçoit ou émet un photon dont rayonnement échangé par l'atome de césium 133
l'énergie correspond exactement à la différence lors d'une transition électronique entre deux
d'énergie entre les deux niveaux.
niveaux d'énergie particuliers.
Puisque les différences d'énergie entre
Cette fréquence vaut 9192631770 Hz.
les états d'un atome ont des valeurs
On utilise donc des atomes de césium qui
parfaitement définies, il en est de même de la contrôlent et ajustent la fréquence générée par
fréquence, donc de la période de l'onde le quartz.
électromagnétique associée au changement de
niveau.
Pourquoi le césium 133?
Le césium a plusieurs caractéristiques qui justifient son utilisation:
• le césium est un atome stable et simple à manipuler;
• à l'état naturel, il n'existe qu'un seul isotope du césium. La fréquence du rayonnement échangé
entre les deux niveaux particuliers est donc la même pour tous les atomes;
• cette fréquence est grande (1010 oscillations par seconde), ce qui permet d'avoir une horloge
d'une grande précision.
Depuis 1967, la définition de la seconde est basée
sur une transition de l'atome de césium 133.
j∞f La vraie science est une ignorance qui se sait.
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Documents 5 : Quel avenir pour les horloges atomiques?
Les progrès scientifiques permettent
de construire des horloges atomiques
de plus en plus précises.
Aujourd'hui, les horloges
atomiques ont de nombreuses
applications: elles permettent
par exemple de déterminer
l'heure légale de chaque fuseau
horaire ou de faire fonctionner
le système de positionnement
GPS.
Les horloges les plus
récentes ont des fréquences
encore plus élevées (1015 Hz).
Elles sont devenues meilleures
que les horloges au césium et il
faudra, à l'avenir, changer la
définition de la seconde.
Questionnement :
a) Donner des exemples de phénomènes physiques utilisés pour définir une mesure du temps.
b) Quel est le paramètre commun à tous ces phénomènes physiques?
c) Pourquoi parle-t-on de jour solaire moyen?
On peut parler de phénomènes dissipatifs responsables du ralentissement de la rotation de la Terre.
d) Quels sont les phénomènes dissipatifs évoqués dans les documents ci-dessus?
e) Pourquoi sont-ils qualifiés de « dissipatifs »?
f) En quoi ces phénomènes sont-ils un frein à l'utilisation des systèmes mécaniques pour mesurer le temps?
g) Justifier l'utilisation des horloges atomiques pour la définition de la seconde.
h) Pourquoi l'utilisation des horloges atomiques n'est-elle pas plus répandue?
Qu'est-ce que l'heure?
Travail de recherche à faire à la maison pour aller plus loin.
Dans les maisons, dans les voitures, dans les bureaux, partout des instruments indiquent l’heure montres, réveils, lecteurs vidéo et fours à minuteur, agendas, calendriers et horloges de toutes les formes
et de toutes les tailles. Il est difficile d’imaginer un monde sans eux.
TRAVAIL N°1 : Les appareils de mesure du temps (Questionnaire 1/5)
a) Dans le tableau fourni, vous devez compléter les trous correspondant à un manque de
renseignements.
Servez-vous des liens Internet « Encyclopédies et dictionnaires »: WebEncyclo - Encarta - Le Quid…
Taper le titre de l'article à rechercher (commencez vos recherches avec le mot « horloge »).
Attention: En recherchant les informations, vous vous apercevrez que les dates diffèrent d'un document à
l'autre. Vous prendrez en compte la date figurant sur le document le plus récent.
Mais il n’en a pas toujours été ainsi : nos ancêtres n’avaient pas autant d’outils pour donner l’heure.
Ils ont été inventés en même temps que la société s’organisait.
TRAVAIL A FAIRE N°2 : LA RECHERCHE
b) Vous commencerez par cette introduction :
« Montres, pendules, horloges n’ont pas toujours existé. Sans instruments, pendant des millénaires, l’homme a
mesuré le temps qui passe en observant des phénomènes naturels : successions des jours et des nuits, différentes
places du soleil dans le ciel, phases de la lune, marées… »
Et vous poursuivrez votre texte en détaillant (dans l’ordre chronologique) les instruments qui ont permis à
l’homme de mesurer le temps.
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TRAVAIL A FAIRE N°3 :
c) A l’aide d’un dictionnaire, rechercher les mots « temps » et « durée »
d) Expliquer la différence entre « temps » et « durée »
TRAVAIL A FAIRE N°4 : Un début de frise
e) A l'aide du tableau fourni et rempli, faire une frise selon un ordre à peu près chronologique.
Nom
Époque et lieu
de l’utilisation
Principe
de fonctionnement
Clepsydre
ou
Horloge à eau
C'est un charpentier horloger Anglais, John
Harrison, qui en 1734 en construit un
énorme de marine de 32,5 kg
Horloge
atomique
Couramment utilisé avant les horloges
mécaniques, surtout dans les pays pauvre
en eau à la place de la clepsydre.
Graduée par des marques placées à
intervalles de temps réguliers, elle indique le
temps écoulé depuis le moment où elle a été
allumée.
Montre
La première date de 1930 et était grosse
comme un réfrigérateur. En 1970 elle se
miniaturise.
Horloge
Le principe est simple : un poids accroché à
une corde enroulée autour d'un axe
horizontal entraîne une aiguille dans un
mouvement de rotation. La difficulté est de
régulariser le mouvement du poids dans un
mouvement uniforme.
Au cours de la journée, l’ombre du stylet se
déplace sur le cadran et indique l’heure.
j∞f La vraie science est une ignorance qui se sait.
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