On représente l'expérience historique réalisée par Foucault en 1862 qui lui a permit la première détermination précise de la vitesse de la lumière dans l'air et dans un liquide.
Il a mis en évidence le fait que la vitesse de la lumière était plus faible dans les liquides que dans l'air ce qui validait le modèle ondulatoire de la lumière.
Avec une lentille convergente de focale f, on forme l'image d'une fente source S sur la surface d'un miroir sphérique MS. Sur le trajet, on interpose un miroir plan tournant autour d'un axe normal au plan de figure passant par O qui est centre du miroir sphérique.
Le rayon du miroir sphérique est R.
Près de la source, on interpose également une lame semi-transparente MST.
On oriente le miroir M pour que le faisceau incident frappe la surface de MS. Comme un rayon qui passe par le centre d'un miroir sphérique se réfléchit sur lui-même, l'image de S dans MST est toujours le point A symétrique de F dans MST.
Comme R est beaucoup plus grand que f, S est pratiquement confondu avec le foyer de la lentille L.
On fait tourner le miroir autour de O avec une vitesse de rotation uniforme ω = 2πN.
On considère un plan d'onde incident qui arrive en O à l'instant t. Si c est la vitesse de la lumière, ce plan d'onde revient en O (après réflexion sur MS) il s'est écoulé l'intervalle de temps dt = 2R / c.
Pendant dt, le miroir à tourné d'un angle dα = 2πN.dt = 4πN.R / c.
Quand le miroir tourne d'un angle dα, le rayon réfléchi tourne d'un angle 2dα.
L'image ne se forme plus en A mais en B tel que AB = 8πN.R.f / c. La mesure de AB permet de déterminer la valeur de c.
Utilisation :
Pour rendre les phénomènes visibles les échelles des distances ne sont pas respectées.
L'oculaire du dispositif de visée est représenté dans la partie inférieure droite de l'épure.
Une graduation correspond à 1/10 de millimètres.
Données utilisées : R = 20 m; f = 60 cm; 0 < N < 800 t/s.
Déterminez la valeur de c.
Pour réaliser cette expérience, Foucault a utilisé un miroir tournant entraîné par une turbine à gaz mise au point par Gustave FROMENT. Son miroir tournait à 24000 t/mn soit 300 t/s. La turbine était alimentée par une soufflerie manuelle fabriquée par le célèbre facteur d'orgues Aristide CAVAILLE-COLL. Malgré sa construction rustique (soufflets en cuir) cette soufflerie assurait un débit constant à mieux que 10-3.
Comme source, il utilisait un héliostat de sa conception. C'est un dispositif comportant un miroir mobile mû par un dispositif d'horlogerie qui maintient constante la direction des rayons réfléchis sur une fente source.
Pour la mesure de la vitesse de rotation, il utilisait la méthode du "battement zéro" entre un diapason et le son généré par la rotation de la turbine.