Culture générale de la discipline. Corrigé de l'épreuve.

Vous trouverez ici des indications de correction de l'épreuve récente de culture générale. Les réponses sont brèves, j'ai accepté d'autres formulations, parfois, en leur donnant tout ou partie des points alloués. Les copies qui se contentent de donner 6 lignes pour une question à 6 points ne doivent pas espérer tirer grand profit de la dernière question.

1 . [2 points] Quelle loi d'optique porte le nom de Descartes et de Snell? Décrivez cette loi brièvement.

Il s'agit de la loi d'égalité des sinus. Lorsque la lumière passe d'un milieu à un autre, qui possèdent des indices de réfraction différents, une relation constante associe les angles d'incidence, de réfraction et les indices propres à chacun des milieux.

2. [2 points] Comment Descartes décrit-il la trajectoire des rayons lumineux dans la Dioptrique? La lumière y est-elle corpusculaire ou bien faite d'ondes?


Descartes, bien qu'il se montre attaché à une description vibratoire de la lumière, géométrise le trajet des rayons lumineux, dans la Dioptrique, en utilisant l'image d'une balle qui progresse selon la composition des mouvements. Le mouvement de la balle est alors affecté, dans ses composantes de direction, par le choc du passage à travers la surface de contact entre les deux milieux. On voit clairement que cette manière d'illustrer la loi emprunte beaucoup à la représentation corpusculaire de la lumière.

3. [2 points] Qu'est-ce que l'éther luminifère pour les savants du XIXe siècle?

C'est un milieu, remplissant l'espace, que l'on doit supposer afin de garantir la transmission des ondes lumineuses.

4. [2 points] Comment fonctionne le cycle d'une machine idéale selon Carnot?

Carnot décrit, dans La puissance motrice du feu (1824) un cycle idéal qui représente le rendement maximal (et singulier) d'une machine thermique : deux moments de compression et deux moments de détente caractérisent ce cycle qui fonctionne entre deux sources d'énergie aux températures différentes.

5. [2 points] Rappelez une des contradictions relevées par Einstein entre électromagnétisme et mécanique, et qui le conduit à élaborer la Relativité restreinte.

La théorie de Maxwell considère différemment le mouvement d'un courant électrique autour d'un aimant, et le mouvement d'un champ magnétique autour d'un flux électrique. Or selon le principe de relativité classique, ces deux mouvements sont strictement équivalents.

6. [2 points] Voici comment s'écrit la transformation dite de Lorentz (pour les distances):

Que se passe-t-il lorsque …

a) la vitesse v est très petite par rapport à celle de la lumière c? Alors l'élément au dénominateur a une valeur proche de 1, et c'est la transformation de Galilée qui s'applique.

b) la vitesse v est très proche de celle de la lumière c? Le dénominateur est proche de 0, la fraction prend alors des valeurs qui n'ont pas de signification physique.

7. [2 points] Comment Roëmer parvient-il à mesurer la vitesse de la lumière en 1676?

A l'aide des horloges de Huygens, Römer compare le mouvement d'apparition des satellites de Jupiter hors du cône d'ombre de la planète, avec les valeurs connues par les tables ainsi que par les lois de Kepler. Le décalage est alors évident, la lumière possède une vitesse et elle prend du temps pour parcourir l'espace qui nous sépare de Jupiter.

8. [Réflexion : 6 points, répondre à la suite, sur le recto et sur le verso de la feuille d'examen].
Le double aspect corpusculaire et ondulatoire de la lumière pose-t-il un problème pour notre manière de construire une image du monde?

Le concept d'image du monde n'a qu'un rapport analogique avec la faculté de voir. Certaines copies, accumulant sans s'en rendre compte, les calembours, ne voient dans cette expression que la simple faculté sensible et peuvent affirmer sans frémir que les difficultés dans la compréhension de ce qu'est la lumière doivent nécesserairement affecter notre capacité à voir ...

L'image du monde, la Weltbild, est un concept philosophique qui désigne une idée de monde, c'est-à-dire l'unité d'une représentation qui permette d'achever (en même temps qu'elle la soulage) la représentation intellectuelle ou spéculative du monde comme cette unité.

Dès lors, il devient évident que l'existence de deux manières de décrire la lumière, l'une qui la résout en corpuscules, l'autre en ondes, est ruineuse. Ainsi dans l'expérience de l'effet photo-électrique, dans laquelle le bombardement d'une plaque par une onde lumineuse provoque, pour certaines longueurs d'ondes, l'arrachement d'électrons, il est impossible de séparer les deux aspects dans lesquels se présente la lumière. La lumière bleue que l'on projette sur la plaque, a la force nécessaire pour arracher les électrons, ce qui ne peut être expliqué que dans le cadre des quanta. Schrödinger, en 1927, formalisera l'intuition de Planck et d'Einstein selon laquelle ondes et corpuscules sont des descriptions équivalentes.

Cette acceptation de deux réalités ou de deux apparences comme étant au fond une seule et même réalité (ou apparence), est certes ruineuse. Mais ruineuse par rapport à quoi? Si la science a la capacité d'expliquer le monde, elle doit pouvoir le faire en assignant à chaque propriété physique sa référence et son fondement dans l'être. Or ici l'impossibilité de rendre raison d'une manière unique d'un objet aussi commun et fondamental qu'est la lumière, renvoie à une impuissance : celle qu'a la science de construire un discours fondé en nature.

Mais la dualité, dans l'explication de la lumière, n'est ruineuse que si l'on admet que la science doit avoir une visée réaliste.
Si au contraire on pose, comme le font les instrumentalistes (Pierre Duhem, La théorie physique, Paris, 1905), que les théories ne sont pas des explications de la nature et du monde, mais des descriptions formellement cohérentes et aptes à saisir les régularités proposées par les lois, alors l'idée même qu'il y ait une contradiction perd tout son sens. Ces deux théories proposent l'une et l'autre des corps de propositions symboliques et calculables qui n'ont rien à voir avec la nécessité de décrire des états réels du monde.