Chap D.4 – ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE – Mesure du temps et

Chap D4 – Activité Doc.
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Chap D.4 – ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE – Mesure du temps
et évolution de la définition de la seconde
La construction de l’unité de temps du Système International s’est déroulée par étapes, évoluant au fil des
avancées techniques, à la recherche de la définition la plus précise possible. Parmi tous les étalons de mesure, c’est
aujourd’hui celui que l’on connaît avec la plus grande précision
Document n°1 :
Du jour à la seconde.
Avant de définir la seconde, il a fallu définir le jour, puis l’heure, et la minute.
Le jour a certainement été la première unité de temps utilisée dans toutes les civilisations. L’alternance du jour et
de la nuit s’est logiquement imposée comme unité universelle. Les jours furent calculés par la durée entre deux
levers du soleil, deux couchers, ou deux passages à son zénith.
La définition d’une heure se retrouve la première fois dans l’Égypte ancienne. La religion égyptienne avait découpé
le ciel en 36 parties (aujourd’hui appelées décans) délimitées par des étoiles ou des constellations. Il était possible
de visualiser en moyenne 12 décans, la nuit, entre l’aube et l’aurore. Ces 12 parties de ciel sont donc devenues les
12 heures qui composent une nuit, et par symétrie le joura été divisé de la même manière. On eût donc un
système complet de 24 heures.
Il faudra ensuite attendre que les Babyloniens décident de subdiviser l’heure égyptienne. Leur système de calcul,
fondé sur une base 60, va naturellement diviser par 60 l’heure égyptienne, puis ensuite la minute pour donner la
seconde. On pense aussi que la minute a été divisée en 60 pour que chaque intervalle corresponde à la durée qui
s’écoule entre deux battements de cœur pour un adulte au repos, faisant ainsi du rythme cardiaque l’un des
premiers instruments de mesure pour les courtes durées (selon la légende, Galilée se servait encore de cette
méthode pour mesurer la durée de certaines de ses expériences).
Document n°2 :
Les premiers instruments de mesure du temps.
Le mouvement du soleil dans la journée et par conséquent le mouvement de
l’ombre d’un bâton vertical (appelé gnomon, du grec signifiant “connaître”), a
certainement été la toute première technique fiable de mesure du temps, que
l’on peut dater à environ 8000 ans avant J.-C.
En ajoutant une planche graduée à cette ombre portée, on a créé les cadrans
solaires. Toutes les civilisations du Monde connaissaient cet instrument, et très
vite il s’est imposé comme le seul instrument de mesure du temps. Plusieurs
monuments égyptiens présentent ainsi des traces de cadrans solaires.
Afin de disposer d’un instrument utilisable la nuit, les Égyptiens eurent l’idée
d’utiliser une horloge à eau (la plus ancienne, conservée au musée du Caire,
remonte à 3500 ans avant J.-C.). Ce sont les Grecs qui ont donné à cet
instrument le nom de clepsydre (du grec klepsydria, “voleur d’eau”) car il servait à limiter le
temps de plaidoirie dans les tribunaux, afin que les avocats ne dépassent pas leur temps de
parole.
Dans les premières clepsydres, construites sur un modèle très simple, le récipient est percé
d’un trou à la base et l’heure est donnée en lisant directement l’indication du niveau du
liquide. Malgré sa simplicité, c’est un appareil difficile à graduer et à régler pour de
nombreuses raisons : le débit de l’eau n’est pas constant au cours de la vidange, la viscosité
de l’eau varie avec la température, l’orifice se bouche ou au contraire s’agrandit au fil des utilisations,…
En remplaçant l’eau des clepsydres par du sable, l’Homme inventa le sablier. On sait avec certitude
que les Romains l’utilisaient.
Le débit du sable, beaucoup moins fluide que l’eau, est difficile à maîtriser, mais dans une enceinte
hermétique il ne se perd pas, ne prend pas l’humidité, et peut être utilisé partout et par tout temps. Il
est mieux approprié aux courtes durées (1/2 heure) et au XVIème siècle, on le rencontre partout :
dans les cuisines, dans les églises pour limiter la durée des sermons, à l’école, au travail, sur les
navires,… Par contre, le sablier est peu commode pour les longues durées car il faut le retourner…
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Document n°3 :
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Utilisation des phénomènes astronomiques.
Le temps donné par les cadrans solaires est ce que l’on appelle en astronomie le temps solaire vrai, qui est un
temps local et qui n’est pas uniforme à cause des variations de la position du soleil dans le ciel au fil des jours
(variations dues à l’orbite elliptique de la Terre autur du Soleil, dans le plan de l’écliptique et non pas dans le plan
de l’équateur). Ce temps fût d’un usage très courant jusqu’au XVIIIème siècle, mais le développement rapide des
moyens de communication rendit obligatoire l’adoption d’un temps solaire moyen, équivalent quel que soit le lieu
considéré.
Ce temps solaire moyen est donné par un soleil moyen (fictif) pour une orbite circulaire, décrite à vitesse constante,
dans le plan de l’équateur céleste. Ce temps solaire moyen est à l’origine de la première définition astronomique de
la seconde, utilisée jusqu’en 1956 : c’était la 86400ème partie du jour solaire moyen.
La rotation de la Terre n’étant pas uniforme, à cause du frottement des marées océaniques sur l’écorce terrestre,
des variations saisonnières d’origine météorologique,… il fallait sans arrêt corriger le temps solaire moyen par
rapport au temps solaire vrai de différents lieux.
Tout cela a conduit les astronomes à construire une autre échelle de temps fondée sur le mouvement orbital
(révolution) de la Terre autour du Soleil. La seconde est alors définir entre 1956 et 1967 comme la fraction
1/31556925,9747 de l’année tropique 1900 (durée exacte entre deux équinoxes de printemps successifs à
partir de 1900). Cette échelle est très stable (écart d’une seconde en 10 ans) mais très peu pratique à étalonner.
Elle est donc rapidement supplantée.
Document n°4 :
Évolution des horloges.
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 Pour plus de détails sur l’horloge atomique : lire le document page 189 de votre livre de Physique.
Document n°5 :
Précisions comparées de différentes horloges.
QUESTIONS
Q1) Quelles sont les 2 qualités principales que l’on attend d’une « bonne » horloge ?
Q2) Quelle caractéristique physique commune présentent la plupart des instruments de mesure des durées ?
Q3) Quels sont les défauts majeurs que présentent les instruments de mesure du temps antérieurs à l’horloge à
quartz (citer des exemples à partir des documents) ? Pour les horloges à balancier (mécaniques), à quoi est dû
l’épuisement d’énergie ?
Q4) Quelle différence fondamentale y a-t-il dans le fonctionnement des horloges à quartz et des horloges
atomiques par rapport aux instruments antérieurs ? Expliquer alors en quoi les horloges à quartz et les
horloges atomiques ont permis de régler les défauts cités à la question 3.
Q5) À quoi est principalement due l’évolution de la définition de la seconde ?
Q6) À partir du Doc.4, calculer le rapport des précisions de l’horloge atomique par rapport à l’horloge à quartz.
Q7) Quel est l’intérêt de chercher un étalon toujours plus précis et plus fiable pour définir la seconde ?
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