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Lumière : vitesse de propagation et année-lumière
Rappels de 6e et de 5e (sources, propagation rectiligne, lumière et son dans le vide) ; la lumière, une onde électromagnétique ; vitesse de la lumière dans le vide, l’eau et le verre, comparée à celle du son ; calculer une durée ou une distance, mesures par aller-retour ; l’année-lumière ; regarder loin, c’est regarder dans le passé
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Sujet et corrigé prêts à imprimer.
Devoir surveillé – Lumière : vitesse de propagation et année-lumière
Durée : 55 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Physique 4ᵉ
Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Exercice 1 – Une nuit d’observation ★★
(4 pts)Au club d’astronomie, Malik éclaire sa carte du ciel avec sa lampe frontale. Dans le télescope, il observe la planète Saturne, puis une étoile. La lumière qui entre dans le télescope traverse des lentilles en verre.
- a)Écris, avec des flèches, le trajet de la lumière qui permet à Malik de lire sa carte du ciel. Nomme la source primaire et l’objet diffusant.
- b)La planète Saturne ne produit pas de lumière. Écris le trajet de la lumière qui permet à Malik de la voir dans le télescope.
- c)Le 26 septembre 2022, la sonde DART s’est écrasée volontairement sur le petit astéroïde Dimorphos. Les télescopes Hubble et James Webb ont vu le nuage de débris, mais aucun micro sur Terre n’aurait pu entendre le choc. Explique pourquoi.
- d)Dans les lentilles du télescope, la vitesse de la lumière change-t-elle ? Donne un ordre de grandeur.
Exercice 2 – Lumière et son au stade ★★
(4 pts)Lors d’un match de rugby, Chloé est assise en haut de la tribune, à 153 m du joueur qui tape le coup d’envoi. Dans l’air, le son va à 340 m/s et la lumière à 3 × 10⁸ m/s.
- a)Calcule la durée mise par le son du coup de pied pour parvenir à Chloé.
- b)Calcule la durée mise par la lumière sur la même distance. Écris-la en notation scientifique.
- c)Explique pourquoi Chloé voit le coup de pied avant de l’entendre.
- d)Un autre spectateur entend le coup de pied 0,65 s après l’avoir vu. À quelle distance du joueur est-il ?
Exercice 3 – Mesurer avec la lumière ★★★
(4 pts)On prend c = 3 × 10⁸ m/s pour la lumière et les ondes radio.
- a)Le télémètre laser d’un géomètre mesure une durée de 5,2 × 10⁻⁷ s entre l’émission de l’éclair et le retour de la lumière réfléchie par un poteau. À quelle distance est le poteau ?
- b)Le géomètre recule de 30 m en restant dans l’axe du poteau. Quelle durée l’appareil mesure-t-il maintenant ?
- c)Une sonde en orbite autour de Jupiter est à 9 × 10¹¹ m de la Terre. Combien de temps met son signal radio pour arriver ? Donne la réponse en secondes, puis en minutes.
- d)Un récepteur GPS reçoit le signal d’un satellite 0,068 s après son émission. À quelle distance du satellite est-il ? Donne la réponse en km.
Exercice 4 – L’année-lumière ★★★
(4 pts)On prend c = 300 000 km/s et une année de 365,25 jours. L’étoile Altaïr, dans la constellation de l’Aigle, est à 16,7 années-lumière.
- a)Calcule le nombre de secondes dans une année. Écris-le en notation scientifique, arrondi au centième.
- b)Calcule la distance parcourue par la lumière en un an, en km. Explique pourquoi l’année-lumière est une distance et non une durée.
- c)Avec 1 a.l. ≈ 9,46 × 10¹² km, calcule la distance d’Altaïr en km.
- d)Au tout début de l’année 2026, on observe Altaïr. Vers quelle année la lumière reçue a-t-elle quitté l’étoile ?
Exercice 5 – Une étoile qui explose ★★★
(4 pts)Le 24 février 1987, au Chili, des astronomes remarquent à l’œil nu un nouvel astre brillant dans le Grand Nuage de Magellan, une petite galaxie voisine de la Voie lactée : c’est la lumière d’une étoile qui explose, la supernova SN 1987A. Elle se trouve à environ 168 000 années-lumière. On prend 1 a.l. ≈ 9,46 × 10¹² km.
- a)Combien d’années avant 1987 l’explosion a-t-elle réellement eu lieu ? Justifie.
- b)Calcule la distance de SN 1987A en km, en notation scientifique (arrondi au centième).
- c)Un élève affirme : « Cette étoile a explosé en 1987. » Corrige sa phrase.
- d)Si une autre étoile du Grand Nuage de Magellan, à la même distance, explosait en 2026, en quelle année pourrait-on la voir ?
Bon courage !
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Voir le corrigé et le barème
Corrigé et barème – Lumière : vitesse de propagation et année-lumière
Durée : 55 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Physique 4ᵉ
Exercice 1 – Une nuit d’observation ★★
(4 pts)- a)Lampe frontale → carte du ciel → œil de Malik. La lampe frontale est la source primaire (elle produit sa lumière) ; la carte est un objet diffusant (elle renvoie une partie de la lumière reçue). (1)
- b)Saturne est éclairée par le Soleil et en renvoie une partie : Soleil → Saturne → télescope → œil de Malik. (1)
- c)Entre l’astéroïde et la Terre, c’est presque le vide. La lumière se propage dans le vide ; le son, vibration de la matière, a besoin d’un milieu matériel et ne le traverse pas. (1)
- d)Oui : dans le verre, la lumière ralentit, à environ 200 000 km/s au lieu de 300 000 km/s ; elle reprend presque 300 000 km/s en ressortant dans l’air. (1)
Repère — vide : seule la lumière passe ; matière transparente : la lumière passe, mais moins vite.
Exercice 2 – Lumière et son au stade ★★
(4 pts)- a)t = 153 ÷ 340 = 0,45 s. (1)
- b)t = 153 ÷ (3 × 10⁸) = 5,1 × 10⁻⁷ s, moins d’un millionième de seconde. (1)
- c)La lumière va près d’un million de fois plus vite que le son : son trajet est presque instantané, alors que le son met près d’une demi-seconde. (1)
- d)On néglige le trajet de la lumière : d = 340 × 0,65 = 221 m. (1)
Le point clé — sur Terre, la durée du trajet de la lumière est négligeable devant celle du son.
Exercice 3 – Mesurer avec la lumière ★★★
(4 pts)- a)Trajet aller-retour : 3 × 10⁸ × 5,2 × 10⁻⁷ = 156 m ; distance : 156 ÷ 2 = 78 m. (1)
- b)Distance : 78 + 30 = 108 m ; trajet aller-retour : 2 × 108 = 216 m ; t = 216 ÷ (3 × 10⁸) = 7,2 × 10⁻⁷ s. (1)
- c)t = 9 × 10¹¹ ÷ (3 × 10⁸) = 3 × 10³ = 3 000 s ; 3 000 ÷ 60 = 50 min. (1)
- d)d = 3 × 10⁸ × 0,068 = 2,04 × 10⁷ m = 20 400 km. (1)
Erreur fréquente — oublier que la durée d’un écho correspond à l’aller ET au retour.
Exercice 4 – L’année-lumière ★★★
(4 pts)- a)365,25 × 24 × 3 600 = 31 557 600 s ≈ 3,16 × 10⁷ s. (1)
- b)d = 300 000 × 3,16 × 10⁷ = 9,48 × 10¹² km ≈ 9,5 × 10¹² km (avec 31 557 600 s : 9,47 × 10¹² km). C’est une année-lumière : une vitesse (km/s) multipliée par une durée (s) donne une distance (km). (1)
- c)d ≈ 16,7 × 9,46 × 10¹² ≈ 157,98 × 10¹² ≈ 1,58 × 10¹⁴ km. (1)
- d)Elle a voyagé 16,7 ans : 2026 − 16,7 = 2009,3, vers 2009. (1)
Le point clé — une année-lumière est une distance : vitesse de la lumière × durée d’une année.
Exercice 5 – Une étoile qui explose ★★★
(4 pts)- a)Environ 168 000 ans avant 1987 : sa lumière a voyagé 168 000 ans pour parcourir 168 000 années-lumière. (1)
- b)d ≈ 168 000 × 9,46 × 10¹² = 1 589 280 × 10¹² ≈ 1,59 × 10¹⁸ km. (1)
- c)L’explosion a été vue en 1987, mais elle avait eu lieu environ 168 000 ans plus tôt : c’est sa lumière qui est arrivée en 1987. (1)
- d)Sa lumière mettrait 168 000 ans : vers l’année 2026 + 168 000 = 170 026. (1)
À retenir — regarder loin, c’est regarder dans le passé : on voit un astre tel qu’il était quand sa lumière est partie.
Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).
Ce contrôle de physique 4ᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière » : 5 exercices, 55 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — Une nuit d’observation ★★/ 4 pts
- Exercice 2 — Lumière et son au stade ★★/ 4 pts
- Exercice 3 — Mesurer avec la lumière ★★★/ 4 pts
- Exercice 4 — L’année-lumière ★★★/ 4 pts
- Exercice 5 — Une étoile qui explose ★★★/ 4 pts
Notions évaluées
Source primaire, objet diffusant, propagation rectiligne, milieu transparent et homogène, rayon lumineux, opaque, vide, son, onde électromagnétique, ondes radio, vitesse de la lumière c, 300 000 km/s, 3 × 10⁸ m/s, vitesse dans l’eau et le verre, 340 m/s, d = c × t, t = d ÷ c, notation scientifique, µs, ms, télémètre laser, lidar, radar, aller-retour, année-lumière, heure-lumière, jour-lumière, 9,46 × 10¹² km, voir dans le passé.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours et la fiche de révision.
- Refaire les exercices corrigés et les problèmes.
- Se tester avec le QCM (36 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 55 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière » ?
- 55 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 55 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de physique de quatrième ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière » du programme officiel de physique en quatrième, soit : rappels de 6e et de 5e (source primaire et objet diffusant, condition pour voir un objet, propagation rectiligne, la lumière traverse le vide, pas le son) ; la lumière, onde électromagnétique, comme les ondes radio ; vitesse de propagation de la lumière dans le vide (3 × 10⁸ m/s) et dans quelques milieux transparents ; comparaison avec la vitesse du son ; relier distance et durée de propagation (d = c × t), mesures par aller-retour (télémètre, radar) ; l’année-lumière, unité de distance ; voir loin, c’est voir dans le passé.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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