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Chapitre de Physique - Le Temps
A / Les bases astronomiques du temps
Pour mesurer le temps, l’homme s’est d’abord référé à des phénomènes astronomiques périodiques, c’est à dire qui se reproduisent identiques à eux mêmes à intervalles de temps réguliers.
Exemple : Les saisons, les phases de la Lune, les mouvements des planètes, ….
1 / Le jour
La succession des jours et des nuits est liée à la rotation de la Terre autour de son axe polaire. Le jour peut être défini comme la durée mise par la Terre pour effectuer un tour complet autour de son axe.
2 / L’année
Une même saison nous revient au bout d’une durée appelée année tropique. Cette durée est approximativement celle que met la Terre pour boucler sa trajectoire autour du Soleil dans le référentiel héliocentrique. Une année tropique est égale à 365,24 jours.
L’alternance des saisons est dû au fait que l’axe des pôles n’est pas perpendiculaires au plan de l’écliptique.
3 / La lunaison
Les phases de la Lune sont les différents aspects de la Lune, vus de la Terre.
On appelle Lunaison (ou mois lunaire) la durée séparant deux nouvelles lunes successives. La durée moyenne est de 29,53 jours.
4 / Le repérage dans le temps : les calendriers
Pour se repérer dans le temps, l’homme utilise des phénomènes astronomiques qui sont périodiques.
Les trois phénomènes précédents se répètent à intervalles de temps réguliers : ils sont périodiques.
Ils ont été à l’origine de l’élaboration des calendriers au cours des ages.
Notre calendrier actuel est appelé grégorien, car il fut réalisé sous l’impulsion du pape Grégoire 13 au 16ème siècle.
B / Phénomènes périodiques
Les observations astronomiques ne sont pas toujours commodes ou ne permettent pas des mesures de temps précises. L’homme s’est donc efforcé d’élaborer des dispositifs plus performants. Pour cela, il a recherché d’autres phénomènes périodiques.
1 / Période d’un phénomène périodique
Un phénomène périodique est un phénomène qui se répète identique à lui même à intervalles de temps réguliers.
La période, notée ….. , est la plus petite durée au bout de laquelle il redevient identique à lui même.
L’unité légale est la ………………………. ( ……).
La période d’un phénomène périodique peut être utilisé comme étalon de durée : un intervalle de temps qui sert de référence pour la mesure du temps.
2 / Fréquence d’un phénomène périodique
Lorsque le phénomène de référence est très rapide, on préfère le caractériser par sa fréquence f, plutôt que par sa période T.
La relation entre T et f est :
Remarque :
La fréquence correspond au nombre de périodes par seconde.
C / Dispositifs fabriqués par l’homme
1 / Le cadran solaire
Un cadran solaire est composé de deux parties : le gnomon, appelé encore style et le plan du cadran.
Le gnomon est parallèle à l’axe de la Terre et pointe vers le pôle céleste.
Le plan du cadran est divisé en 24 méridiens ou lignes horaires. Ce cadran doit être adapté à la latitude du lieux.
2 / Les sabliers et les clepsydres
Le sablier (moyen age en Europe) permet de mesurer une durée fixe. En gros trois minutes, on peut les utiliser en cuisine pour la cuisson des œufs coques. On utilise l’écoulement d’une certaine quantité de sable par un orifice.
Les égyptiens utilisaient la clepsydre trois milles avant notre ère. Une clepsydre est un vase rempli d’eau qui se vide lentement par une ouverture de petite taille percée dans sa partie inférieure. On repère le temps d’après la quantité d’eau écoulée en graduant soit le récipient verseur, soit le récipient dans lequel l’eau est recueillie.
3 / Les horloges mécaniques
Les horloges mécaniques comportent toujours un organe moteur, un rouage, un échappement et un régulateur.
L’organe moteur :
Il doit être constitué par une masse suspendue à un câble et descendant sous l’action de son poids ou un ressort spiral.
Le rouage :
Il est constitué de roues dentées et de pignons. Il transmet le mouvement aux aiguilles et distribue l’énergie à l’échappement.
L’échappement :
Il fournit par impulsions, l’énergie aux régulateurs à fin de compenser l’amortissement des oscillations dues aux frottement.
Le régulateur :
Il est constitué par un pendule pesant ou un oscillateur à ressort spiral. Il assure la constance du mouvement.
4 / Les horloges électroniques à quartz
Un cristal de quartz, soumis à des impulsions électriques, engendre des oscillations électriques périodiques de fréquences stables et bien définies.
Cette fréquence peut être de quelques kilohertz ( 103 Hz ) à quelques mégahertz ( 106 Hz ).
Un circuit diviseur de fréquence permet de convertir ces oscillations électriques du cristal de quartz en oscillations de fréquence 1 Hz ( réveil ) ou 100 Hz ( chronomètre ) ; celle-ci commande soit un moteur, soit un afficheur numérique.
5 / Les horloges atomiques
C’est l’horloge atomique au césium qui sert à définir la seconde. Elle dérive de moins de 10-9 seconde par jour.
Le développement des technologies nouvelles nécessite de mesurer des durées avec une très grande précision.
Par exemple les ordinateurs possèdent des horloges très précises qui imposent le rythme de calcul.
Ainsi un ordinateur de 1000 MHz (1 GHz) effectue 109 opérations élémentaires par seconde. La durée d’une opération est de : 10-9 s.
Les positions des satellites du système GPS ( Global Positionning System ) doivent être connues avec une très grande précision. Un décalage de 10-6 s correspond à un décalage de 300 mètres. Ils sont toujours équipés d’horloges atomiques.
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