Physique, chapitre 01

Sciences physiques
Chapitre 01
CH01 Présentation de l’univers page
Description de l'Univers : du très petit
au très grand.
I- Présentation de l’Univers.
1)- L’infiniment petit
2)- Notre échelle : l’échelle humaine.
3)- L’infiniment grand.
a)- Le système Solaire
b)- Notre Galaxie
c)- L’Univers
4)- Conclusion
II- La Lumière pour mesurer des distances.
1)- Principe de propagation rectiligne de la lumière.
2)- Vitesse de propagation de la lumière.
3)- L’année de lumière : a.l.
4)- Voir loin, c’est voir dans le passé.
III- Des outils de description de l’Univers. En relation avec la séance de travaux pratiques 01.
1)- Unité.
2)- Multiples et sous multiples d’une unité.
3)- Comparaison de longueurs et ordre de grandeur.
a)- Comparaison de longueurs.
b)- Ordre de grandeur.
4)- Chiffres significatifs et précision d’une mesure. (TP Physique N° 01).
IV- Structure de l’Univers et échelle des longueurs.
1)- Structure de l’Univers.
2)- Échelle des longueurs dans l’Univers. (TP Physique N° 01)
V- Applications.
1)- Devoir : Construction d’une échelle de longueurs.
2)- QCM :
1
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I- Présentation de l’Univers.
L’Univers est tout ce qui existe. Il comporte des objets extrêmement petits, comme les atomes, ou
extrêmement grand comme les Galaxies.
-
1)- L’infiniment
-
petit :
Lorsqu’on se déplace vers l’infiniment petit, on atteint le niveau microscopique.
La matière qui nous entoure est vivante ou inerte. Elle est toujours constituée à partir d’atomes.
Les atomes : Ils peuvent être assimilés à des sphères dont le rayon atomique est de l’ordre de 0,1
nanomètre (1 nm = 10 – 9 m).
- Un atome est constitué : - D’un noyau central, chargé positivement
- Et d’électrons, chargés négativement en mouvement rapide autour du
noyau.
-
-
Le noyau est assimilé à une sphère de rayon 100 000 fois plus petite que celui de l’atome.
L’atome est essentiellement fait de vide.
En conséquence, l’atome a une structure lacunaire.
Les atomes peuvent s’assembler pour former des molécules.
Les molécules :
Les plus petites molécules ont des dimensions de l’ordre du nanomètre. Certaines grosses molécules
organiques peuvent dépasser le millimètre
–3
- ( 1 mm = 10 m).
-
2)- Notre échelle :
l’échelle humaine.
La taille de certains objets et certaines distances sont à l’échelle humaine : quelques kilomètres,
quelques mètres ou quelques centimètres.
-
3)- L’infiniment grand.
- Depuis l ‘Antiquité, les hommes ont observé le ciel. Ils se sont intéressés aux Etoiles,
- Lorsqu’on se déplace vers l’infiniment grand, on parvient au niveau cosmique.
a)- Le système Solaire :
- Le Soleil et l’ensemble des
aux Planètes.
objets en révolution autour de lui constituent le système Solaire.
La Terre fait partie du système Solaire avec huit autres planètes qui sont :
- Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton (Pluton ne fait plus
partie du système solaire).
-
La Terre tourne autour du Soleil sur une orbite quasi circulaire de 150 millions de kilomètres de
rayon.
- Cette distance est appelée unité astronomique, notée UA.
-
1 UA = 1,5 x 10 11 m
-
1 UA = 1,5 x 10 11 m .
-
Les planètes et leurs satellites, les astéroïdes, les comètes font partie du système Solaire.
2
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b)-
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Notre Galaxie :
Toutes les étoiles que nous voyons à l’œil nu font partie de notre Galaxie.
Elle comporte environ 200 milliards d’étoiles. Elle a la forme d’un disque renflé au centre.
La bande lumineuse, d’apparence laiteuse que l’on observe dans le ciel, est notre Galaxie vue
suivant un diamètre de ce disque : On l’appelle la Voie Lactée.
-
Notre Galaxie s’étend sur 10 21 m .
À cette échelle, le mètre et l’Unité Astronomique sont des unités mal adaptés. On utilise l’année de
lumière de symbole a.l.
-
1 a .l = 9,46 x 10 15 m
Exemple : Proxima du centaure est l’étoile la plus proche du Soleil. Elle est située à 40 mille
milliards de kilomètres.
- Cette grandeur s’exprime avec un nombre plus simple en utilisant l’année de lumière : 4,3 a .l.
-
c)-
L’Univers :
Il contient des milliards de Galaxies. La Galaxie d’Andromède, qui est la plus proche de la Terre ,
est située à 2 millions d’années de lumière.
- Les Galaxies sont regroupées en amas qui s’éloignent les uns des autres. L’Univers est en
expansion.
- À l’aide des derniers télescopes, on peut observer l’Univers jusqu’à des distances de 15 milliards
d’années de lumière.
- L’espace entre les étoiles et les Galaxies est surtout constitué de vide.
- À l’échelle cosmique, la matière est essentiellement lacunaire.
-
4)- Conclusion :
- L’univers peut
être décrit à trois niveaux : le niveau cosmique, l’échelle humaine et le niveau
microscopique.
3
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II- La Lumière pour mesurer des distances.
1)- Principe de propagation rectiligne de la lumière.
- Expérience : Laser et différentes sources de lumière.
- La lumière se propage en ligne droite dans tout milieu
transparent homogène (comme l’air, l’eau et
le vide).
- Le trajet suivi par la lumière peut être modélisé par une ligne droite fléchée dans le sens de la
propagation.
- Ce modèle de représentation s’appelle le rayon lumineux.
2)- Vitesse de propagation de la lumière.
- En 1674, étudiant les éclipses de la planète Jupiter sur son
satellite Io, Le Danois Römer donne une
première estimation de la vitesse de la lumière dans le vide.
La valeur fixée pour la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est :
-
c = 2,99792458 x 10 8 m / s
C’est une constante Universelle. Cette vitesse est une vitesse limite. Aucun objet matériel ne peut
atteindre cette vitesse dans le vide.
8
- En pratique, on donne à cette vitesse une valeur approchée : c = 3,00 x 10 m / s
-
-
Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.
La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide. c air ≈ c ≈ 3,00 x 10 8 m / s
3)- L’année de lumière : a.l.
- L’année de lumière est la distance parcourue par la lumière en une année.
- Une distance d est une vitesse multipliée par une durée : d = v . ∆t Unités : d
(m), v (m / s) et ∆t (s)
-
Dans le cas qui nous intéresse : v = c
La relation devient : d = c . ∆t
-
Donner un ordre de grandeur de cette distance en mètres.
Ordre de grandeur : 1 a.l ≈ 3,00 x 10 8 x 365,25 x 24 x 3600 ≈ 3,00 x 10 8 x 400 x 20 x 4000
1 a.l ≈ 3 x 4 x 2 x 4 x 10 14 ≈ 100 x 10 14 ≈ 10 16
1 a.l ≈ 9,46 10 15 m
L’année de lumière est bien une unité de distance.
L’étoile Proxima du Centaure (étoile la plus proche du Soleil) est située à 4,2 a .l de la Terre. Que
peut-on déduire de cette donnée ?
-
4
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4)- Voir loin, c’est voir dans le passé.
- Plus nous observons loin dans l’espace et plus nous regardons dans le passé.
- La nébuleuse d’Orion se situe à 1800 a .l de la Terre. La lumière provenant d’Orion
met 1800 ans
pour nous parvenir.
- On la voit telle qu’elle était il y a 1800 ans.
- Cette lumière a été émise à l’an 200 (époque Gallo-Romaine).
- Grâce au télescope Hubble, (24 avril 1990), les astronomes parviennent à déceler des étoiles dans
l’état où elles étaient, il y a 10 milliards d’années.
- La limite de ce qu’il est possible d’observer (l’horizon cosmologique) se situe à environ 15 milliards
d’années de lumière (naissance de l’Univers, origine de l’Univers, big-bang).
- En conséquence, la lumière émise par les très éloignés témoigne du passé de l’Univers.
III- Des outils de description de l’Univers. En relation avec la séance de travaux pratiques 01.
1)- Unité.
- Unité : Dans le S.I, l’unité de longueur est le mètre ; symbole m.
- On exprime souvent les longueurs avec des multiples ou des sous-multiples
2)- Multiples
-
du mètre.
et sous multiples d’une unité.
Facteur
multiplicatif
préfixe
Symbole
10 – 18
atto
a
Danois : atten : dix-huit
10 – 15
femto
f
Danois : femten : quinze
10 – 12
pico
p
Italien : picolo : petit
10 – 9
nano
n
Latin : nanus : nain
10 – 6
micro
µ
Grec : mikros : petit
10 – 3
milli
m
Latin : mille : millième
1 = 10 – 0
unité
Etymologie
10
3
kilo
k
Grec : khilioi : mille
10
6
Méga
M
Grec : mégas : grand
10
9
Giga
G
Grec : gigas : géant
10
12
Téra
T
Grec : téras : monstre
10
15
Peta
P
Grec : pente : cinq (mille à
la puissance 5)
10
18
Exa
E
Grec : hex : six (mille à la
puissance 6)
Exemples : le kilomètre : km ; le kilowatt : kW ; le millimètre : mm.
5
Sciences physiques
3)- Comparaison
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de longueurs et ordre de grandeur.
Comparaison de longueurs.
a)-
- On donne : L’épaisseur d’une feuille d’or e 1 = 7 µm et on donne l’épaisseur d’un cheveu : e 2 =
0,06 mm .
- Quelle est la longueur la plus grande ?
► Pour comparer deux longueurs, il faut les exprimer à l’aide du même multiple ou sous-multiple du
mètre.
- Dans le cas qui nous intéresse, on peut utiliser le µ comme sous-multiple.
3
- e 1 = 7 µm et e 2 = 0,06 x 10 = 60 µm, en conséquence e 1 < e 2.
b)-
Ordre de grandeur.
► L’ordre de grandeur d’un nombre très grand ou très petit est la puissance de 10 la plus proche de
ce nombre.
- Exemple 1 : L’atome de Germanium est représenté par une sphère de rayon R a = 123 pm et son
noyau a un rayon R n = 4,99 fm.
– 12
- L’ordre de grandeur de l’atome est :123 x 10
m ≈ 100 x 10 – 12 m = 10 – 10 m
– 15
- L’ordre de grandeur du noyau est : 4,99 x 10
m ≈ 10 x 10 – 15 m = 10 – 14 m
La connaissance de l’ordre de grandeur permet de comparer rapidement les grandeurs étudiées.
L’ordre de grandeur constitue un outil d’approximation fondamental dans le travail du physicien. Il
peut savoir tout de suite s’il peut négliger une grandeur devant une autre et simplifier le problème
posé.
- L’ordre de grandeur est un outil de contrôle permanent. Il permet d’éviter les erreurs grossières.
-
► En général, on dit que les longueurs de deux objets sont du même ordre de grandeur si le rapport
de la longueur du plus grand sur la longueur du plus petit est inférieur à 10.
- Donner un ordre de grandeur du rapport entre le rayon de l’atome et celui du noyau.
- Ordre de grandeur du rapport :
-
En conséquence, le rayon de l’atome est environ 20 mille fois plus grand que celui du noyau.
-
On dit que la taille de l’atome est très grande devant celle du noyau.
-
Combien d’atomes de Germanium faut-il aligner pour obtenir une longueur de 1 mm ?
-
Schéma de la situation :
6
Sciences physiques
-
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Nombre d’atomes de Germanium nécessaires.
-
Il faut aligner environ 4 millions d’atomes de Germanium.
Exemples 2 :
Le nombre de secondes dans une année est-il de l’ordre : de la dizaine de milliards ? De la dizaine
de millions ? Ou de la dizaine de milliers ? Justifier la réponse.
- Nombre de seconde dans une année :
-
-
N = 365,25 x 24 x 3600 ≈ 400 x 20 x 4000 ≈ 400 x 20 x 4000 = 3,2 x 10 7 ≈ 3 x 10 7
-
Le nombre de secondes dans une année est de l’ordre de la dizaine de millions.
Calcul exact : N = 365,25 x 24 x 3600 N ≈ 3,16 x 10 7
7
Sciences physiques
4)- Chiffres
-
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significatifs et précision d’une mesure. (TP Physique N° 01).
Exemples :
On donne la valeur du rayon de la Terre :
(a)
R T = 6378 km
(b)
R T = 6,4 x 10 3 km
(c)
R T = 6,38 x 10 3 km
Règle 1. dans l’écriture d’un nombre sous la forme a x 10 n ou a . 10 n, les chiffres utilisés
pour écrire le décimal a sont appelés chiffres significatifs.
- Question : Combien de chiffres significatifs possèdent les grandeurs numériques (a), (b) et (c) ?
- Pour répondre à la question, il faut utiliser la notation scientifique :
(a)
R T = 6378 km = 6,378 x 10 3 km
Cette expression possède 4 chiffres significatifs.
(b)
R T = 6,4 x 10 3 km
Cette expression possède 2 chiffres significatifs.
(c)
R T = 6,38 x 10 3 km
Cette expression possède 3 chiffres significatifs.
Règle 2. Le nombre de chiffres significatifs utilisés pour exprimer une valeur donnée
indique la précision avec laquelle cette valeur est connue.
3
- Explication : si on utilise la valeur suivante : R T = 6,4 x 10 km (b),
- On admet généralement que l’incertitude absolue, notée ∆R est égale à la demi-unité du dernier
chiffre significatif :
3
- L’incertitude absolue sur cette mesure est : ∆R = 0,05 x 10 km = 50 km
3
3
- En conséquence : 6,35 x 10 km < R T < 6,45 x 10 km
3
- Ou R T = (6,4 ± 0,05) x 10 km
- Si on note R la mesure du rayon terrestre et R T la valeur du rayon terrestre, il découle de ceci la
relation suivante : R T = R ± ∆R
-
Il est souvent commode de calculer l’incertitude relative donnée par la relation :
-
Cette grandeur nous renseigne sur la précision de la mesure :
On peut exprimer cette grandeur en pourcentage :
mesure est de : 0,78 %
-
; On dit que la précision de la
Si on utilise la valeur (a) : L’incertitude absolue sur cette mesure est : ∆R = 0,0005 x 10 3 km = 0,5
km - En conséquence : 6,3775 x 10 3 km < R T < 6,3785 x 10 3 km
-
-
Ou R T = (6,378 ± 0,0005) x 10 3 km
8
Sciences physiques
L’incertitude relative :
-
CH01 Présentation de l’univers page
La précision de la mesure est de 0,0078 %
Règle 3. Le résultat d’une opération ne doit pas avoir plus de chiffres significatifs que la
donnée qui en comporte le moins.
- Exemple : Calculer la longueur de la circonférence de la Terre, sachant que L = 2 π R T et
R T = 6,38 x 10 3 km
3
- Longueur de la circonférence de la Terre : L = 2 π R T ≈ 2 x π x 6,38 x 10 Résultat donnée par
la calculatrice : 4,008672226 x 10 4 L ≈ 4,01 x 10 4
On garde 3 chiffres significatifs et on arrondit (si le premier chiffre éliminé est supérieur ou égal à
5, on majore d’une unité sinon on ne change rien).
-
Règle 4. En notation scientifique, le chiffre zéro est significatif quand il n’est pas placé à
gauche du premier chiffre non nul.
- Exemple : Donner le nombre de chiffres significatifs que possèdent les grandeurs suivantes :
A = 0,00320 m
B = 0,0032 m
C = 3210 m
-
On écrit chaque grandeur en utilisant la notation scientifique :
A = 0,00320 m = 3,20 x 10 – 3 m
3 chiffres significatifs
B = 0,0032 m = 3,2 x 10 – 3 m
2 chiffres significatifs
C = 3210 m = 3,210 x 10 5 m
4 chiffres significatifs
9
Sciences physiques
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IV- Structure de l’Univers et échelle des longueurs.
1)- Structure de l’Univers.
-
L’Univers a une structure lacunaire. La matière n’occupe qu’une petite place dans l’Univers.
-
De même, la matière a une structure lacunaire.
2)- Échelle des
-
longueurs dans l’Univers. (TP Physique N° 01)
Vidéo ou cd-rom.
Pour classer les longueurs rencontrées dans ce chapitre, on utilise une échelle particulière. Cette
échelle n’est pas linéaire. Quand on passe d’une graduation à la suivante, la longueur est multipliée par
dix.
-
V- Applications.
1)- Devoir :
Construction d’une échelle de longueurs.
-
Devoir : Construction d’une échelle de longueurs.
-
On veut représenter sur une échelle de grandeur les longueurs suivantes :
Longueurs
Valeurs
1
Rayon de l’atome d’hydrogène
53 x 10 – 12 m
2
Longueur d’un globule rouge
12 µm
3
Le mètre
1m
4
Altitude du sommet de l’Everest
8848 m
5
Rayon de la Terre
6,4 x 10 3 km
6
Rayon du Soleil
6,96 x 10 5 km
7
Distance Terre - Soleil
150 millions de kilomètres
10
Sciences physiques
-
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Quels sont les ordres de grandeur des données ?
Ordre de grandeurs :
Longueurs
Valeurs
Ordre de grandeurs
1
Rayon de l’atome
d’hydrogène
53 x 10 – 12 m
100 x 10 – 12 m = 10 – 10
2
Longueur d’un
globule rouge
12 µm
10 µm =10 x 10 – 6 = 10 – 5
3
Le mètre
4
Altitude du
sommet de
l’Everest
8848 m
10000 = 10 4 m
5
Rayon de la
Terre
6,4 x 10 3 km
10 x 10 3 km = 10 x 10 3 x 10 3 m = 10 7 m
6
Rayon du Soleil
6,96 x 10 5 km
10 x 10 5 km = 10 x 10 5 x 10 3 m = 10 9 m
7
Distance Terre Soleil
150 millions de
kilomètres
100 x 10 6 km = 100 x 10 6 x 10 3 m =
10 11 m
1 m = 10 0 m
-
Tracer, sur un axe orienté, 25 graduations équidistantes et associer la valeur 1 m à la graduation
centrale.
-
On passe de la valeur associée à la graduation :
-
Suivante en multipliant par 10 cette valeur ;
-
Précédente en divisant par 10 cette valeur.
-
Quelle est la valeur associée à la graduation suivant immédiatement la graduation centrale ? A la
graduation encore suivante ?
-
Répondre aux mêmes questions en parcourant l’axe dans l’autre sens.
-
Sur l’axe ainsi gradué, placer les ordres de grandeur des données.
-
Montrer que cette échelle n’est pas linéaire.
11
Sciences physiques
2)- QCM
-
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:
Pour chaque question, indiquer la ou les bonnes réponses.
12
Sciences physiques
1
2
3
Énoncé
Entre le noyau
et les électrons
d’un atome, il y
a:
Entre le Soleil
et les planètes
du système
solaire, il y a :
Une Galaxie
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A
B
C
Réponse
Des
molécules
Du vide
De l’air
1B
Surtout du
vide
De l’air
Des
Galaxies
2A
Est un
regroupement
de planètes
autour d’une
étoile
Est un
groupement
d’étoiles dont
certaines sont
accompagnées
de planètes
A une
structure
lacunaire.
3 BC
4A
4
Dans le vide la
lumière :
Se propage
en ligne
droite
Ne se propage
pas
Se
propage
avec une
vitesse
constante
5
La valeur de la
vitesse de la
lumière dans le
vide est de :
3,00 x 10
8
km . h–1
3,00 x 10 5 km
. s–1
3,00 x 10
8
m . s–1
5 BC
La durée du
trajet de la
lumière entre
le Soleil et la
Terre
La distance
parcourue par
la lumière
dans le vide
en un an.
La
distance
séparant le
Soleil de
l’Etoile
Polaire
6B
600 000 m
150 x 10 6 km
150 x 10
11
km
7B
8
Regarder loin,
c’est regarder
tôt car :
Pour regarder
loin, il faut se
lever tôt le
matin
La lumière
qui vient des
objets
lointains a
voyagé
pendant
longtemps
En
observant
des objets
lointains,
on les voit
tels qu’ils
étaient il y
a
longtemps.
8BC
9
La distance
entre le Soleil
et Vénus est de
1,082 x 10
8
m
1,082 x 10
11
m
108,2 x 10
10
m
9B
6
L’année de
lumière est :
7
La lumière met
8 min 20 s pour
nous parvenir
du Soleil.
Quelle est la
distance entre
la Terre et le
Soleil
13
Sciences physiques
10
11
108,2 x 10 6 km.
Cette distance
s’écrit aussi :
Le rayon du
Soleil est
d’environ
6,96 x 10 8 m.
L’ordre de
grandeur de
cette distance
est
Le diamètre
d’un virus du
Sida est de 105
nm.
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10 8 m
10 9 m
7 x 10 8 m
10 B
10 –9 m
10 –7 m
10 –11 m
11B
L’ordre de
grandeur de ce
diamètre est :
14