De la clepsydre à l`horloge atomique : le temps et sa mesure
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De la clepsydre à l`horloge atomique : le temps et sa mesure
ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES 599 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 600 BULLETIN DE L’UNION DES PHYSICIENS OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2000 – OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2000 – 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 ACTUALITÉS PÉDAGOGIQUES 601 OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2000 – OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2000 – 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 Lycée Jules Haag - BESANÇON