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Les problèmes posés par la mesure du temps

Physique / chimie

Aperçu du corrigé : Les problèmes posés par la mesure du temps



Publié le : 10/10/2018 -Format: Document en format HTML protégé

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Les problèmes posés par la mesure du temps
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Horloge à quartz

 

La première horloge « à quartz » est apparue vers 1930. Le principe est similaire à celui de l\'horloge à diapason, au sens où une vibration mécanique est entretenue par un

phénomène électrique. Si l\'on comprime un cristal de quartz convenablement taillé, il développe sur

ses faces une tension électrique (un voltage). Inversement, si on y applique une tension, il se comprime. Si on inverse la polarité, au contraire, il se dilate. Ce phénomène porte le nom de piézoélectricité. L\'idée de base consiste donc à faire vibrer un barreau de quartz électriquement et entretenir cette vibration grâce à la tension électrique qu\'il développe. On le fait ainsi entrer en résonance en compensant les pertes énergétiques inévitables par l\'énergie fournie par une pile. Les fréquences étant très élevées (de l\'ordre de 10 kHz), il est nécessaire qu\'un système électronique compte le nombre d\'oscillations afin de donner la seconde. C\'est le rôle du microprocesseur. Comme électroniquement il est très simple de diviser par deux, on a intérêt à choisir une fréquence égale à une puissance de deux : on choisit souvent 32768 Hz ( 2 puissance 15). Ensuite, le temps peut être affiché numériquement ou en faisant tourner une trotteuse, cela est un détail. Grâce aux progrès de l\'électronique, la fabrication d\'une montre à quartz aujourd\'hui ne coûte presque rien pour une très bonne précision (de l\'ordre de la seconde par jour), si bien que le rapport qualité-prix est très bon, sans parler de l\'encombrement et du poids qui sont ridiculement faibles. On peut difficilement imaginer pouvoir faire mieux. Une variante de la montre à quartz a pourtant vu le jour il y a quelques années seulement. Il s\'agit de l\'horloge et de la montre radio-pilotées qui sont remises à l\'heure une fois par jour par onde radio, l\'heure exacte étant donnée par une horloge atomique, évitant ainsi la dérive journalière d\'une seconde.

Horloges atomiques

Les horloges atomiques ont été mises au point dès le milieu des années 1950, bien que le principe théorique fut déjà connu bien avant. Ce sont les étalons de temps par excellence.



UNE MESURE IMPALPABLE

Dans ses Confessions, Saint Augustin écrivait : \"Qu\'est-ce donc le temps? Si personne ne me le demande, je le sais ; mais si on me le demande et que je veuille l’expliquer, je ne le sais plus.\" Jusqu’à présent la nature du temps demeure l\'une des questions fondamentales, à la frontière de la science et de la philosophie, qui n\'a reçu aucune réponse satisfaisante. Pourtant, la notion de temps est omniprésente dans notre vie de tous les jours : nous comptons les années, les mois, les jours, les heures, les minutes, les secondes, voire les centièmes de seconde.

Il faut cependant remarquer que ce que nous mesurons sont toujours des durées, c\'est-à-dire des intervalles de temps. Même si la nature du temps est toujours restée obscure, l’homme a sans cesse cherché à améliorer la précision avec laquelle il le mesurait La construction d\'horloges de plus en plus précises a démarré dès l\'Antiquité. Aujourd\'hui, les meilleures horloges atomiques ne dérivent que d\'une microseconde (millionième de seconde) en cent ans ! Il faut comparer cela aux premières horloges qui dérivaient d\'une heure en un jour. Par rapport aux horloges à eau des Égyptiens, la précision atteinte aujourd\'hui est ainsi sans commune mesure : on a gagné un facteur égal à 10 milliards de milliards !

HORLOGES NATURELLES

Tout mouvement qui se répète périodiquement de manière régulière peut servir comme base pour mesurer le temps.

Les mouvements célestes, comme celui des étoiles, du Soleil ou de la Lune, ou certains phénomènes, comme les changements de saison, sont de bons repères pour mesurer le temps. Pour des durées courtes, le mouvement apparent du Soleil autour de la Terre peut servir d’horloge : on obtient ainsi un gnomon ou un cadran solaire.

 

Le gnomon

Le principe de cette horloge, l\'une des plus anciennes que l\'homme ait fabriquée, est simple. Il repose sur le fait que la longueur de l’ombre d’un bâton planté dans le sol varie au cours du jour en fonction de la position du Soleil dans le ciel.

Elle est par exemple minimale à midi. Le gnomon n\'est en fait rien d’autre qu\'un bâton vertical, muni d\'une petite boule en son sommet dont on observe la longueur de l\'ombre, celle-ci permettant de diviser le jour en secteurs. Voilà comment du lever au coucher du Soleil, l\'ombre de la boule parcourait les secteurs, donnant ainsi l\'heure.

Le gnomon est très simple, mais peu précis. Par ailleurs, son plus grand défaut est qu\'en un même lieu, la longueur de l\'ombre à un instant donné de la journée varie au cours de l\'année en raison du mouvement de la Terre autour du Soleil.

Le cadran solaire

Le cadran solaire est le successeur du gnomon. Ici, plutôt que

 

d\'observer la longueur de l’ombre, on s\'intéresse à son orientation. L\'ombre d\'une tige parallèle à l’axe de rotation de la Terre tombe sur une surface graduée, la table. Celle-ci peut être plane (le plus souvent) ou en demi-sphère ou demi-cylindre. Des lignes partant de la base du style (la tige) sont tracées sur la table : elles correspondent à la direction de l’ombre à une heure donnée. L\'avantage du cadran solaire est que, contrairement au gnomon, il indique la bonne heure quelle que soit la position de la Terre sur son orbite. Le cadran solaire est un instrument très ancien : les Égyptiens l\'employaient 13 siècles avant Jésus-Christ Son défaut comme le gnomon, est qu’il est nécessaire que le Soleil soit visible.

HORLOGES ARTIFICIELLES

Très vite, les hommes ont ressenti le besoin de mesurer le temps de manière plus précise, et surtout, afin de connaître le temps y compris en absence du Soleil. On a ainsi inventé des garde-temps artificiels.

Horloges à écoulement

La clepsydre

Ainsi est née la clepsydre, une horloge similaire à un sablier mais où coule de l\'eau au lieu du sable. Afin que la clepsydre soit fiable, il est nécessaire que le débit d\'eau reste constant Ce débit dépend lui-même d’un certain nombre de facteurs dont il faut s\'assurer de la constance, ce qui n\'est pas simple. Bien entendu, cela dépend également du degré de précision que l\'on cherche.




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