La lumière provenant des étoiles fiche élève

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Thème 2 : l'Univers
Chapitre 3 : La lumière provenant des étoiles :
Que nous apprend la lumière provenant des étoiles sur l'Univers ?
Activité 1 : Les objets de l'Univers.
Légender chaque image, reproduire l'échelle ci-dessous puis classer sur cette échelle les objets par
ordre de taille croissante (du plus petit au plus grand).
Objets :
Ordre de
grandeur:
Activité 2 : Dimensions dans l'Univers
→Vidéo 1 : « puissance de 10 » http://cdsweb.cern.ch/record/1002701
1) Voici une liste d'ordre de grandeur correspondant aux images de l'activité 1. Replacer, en s'aidant de la
vidéo, les bons ordres de grandeurs sur l'échelle réalisée précédemment.
2) De quoi est composé majoritairement l'Univers ?
Application :
Quelle est la distance la plus courte et la plus
longue ?
Activité 3 :l'année lumière
→Vidéo 2 : « C’est pas sorcier, la vitesse de la lumière. »
Questions :
1°/ A l’origine, que pensait-t-on à propos de la lumière ?
2°/ Quels sont les premiers scientifiques ayant remis en question cette hypothèse ?
3°/ Quelle était leur idée ? A quelle époque ?
4°/ A quel siècle a-t-on pu le prouver ?
5°/ Quelle valeur a été retenue ? Mais quel problème se posait alors aux scientifiques ?
6°/ En vous aidant de vos connaissances, calculer la distance correspondante à une année lumière.
Activité 4 : « voir loin, c'est voir dans le passé »
A l'aide du texte d'Hubert Reeves suivant :
http://www.lyc-valdedurance.ac-aix-marseille.fr/extra/methodo/opale/lire-resumer/co/module_AP-synthese_2.html
Expliquer la phrase : en regardant « loin », nous regardons « tôt ».
Application
Au cours d'une exposition photo organisé par de renommés artistes, vous découvrez la photographie suivante :
Nébuleuse d'Orion, 2012, distance à la Terre : 1,27.1019m
A quelle époque de notre ère, la nébuleuse d'Orion ressemblait-elle effectivement à cela?
Activité 5 : De quoi dépend le spectre d'une source lumineuse?
Comparer les différentes couleurs d'un lac de lave, du verre en train d'être soufflé, et du verre refroidi.1°/ Comment évolue
la couleur lorsque la température s'élève fortement ?
2°/ La couleur semble-t-elle dépendre du corps considéré ?
Le soleil
Une géante rouge :
Une géante bleue : Rigel Une naine blanche : au
Betelgeuse (constellation
coeur de la nébuleuse
d'Orion)
de la lyre
3°/ Classer les quatre étoiles présentées ci-dessous de la plus froide à la plus chaude.
Thème 2 : l'Univers
Chapitre 3 : La lumière provenant des étoiles :
Que nous apprend la lumière provenant des étoiles sur l'Univers ?
Activité 6 : Phénomène de réfraction de la lumière, l'apparition d'une pièce..
Expérience 1:
pas la voir.
Situation 1: Une pièce se situe au fond d’une tasse vide, mais sous un certain angle de vue, on ne peut
Situation 2: On ajoute de l’eau dans la tasse.
Noter vos observations. Émettre des hypothèses grâce à vos connaissances.
Expérience 2:
Une cuve transparente contient de l'eau avec de la
fluorescéine.
Envoyons un faisceau laser sur la surface du
liquide.
Légender et orienter chaque rayon lumineux.
Proposer une définition de la réfraction.
Retour sur l'expérience 1:
1°/ Schématiser la situation 1 pour expliquer que l’observateur ne peut pas voir la pièce sous cet angle de vue.
2°/ Schématiser la situation 2 pour expliquer qu’avec le même angle de vue que précédemment, l’observateur voit
maintenant la pièce.
Activité 7 : Pourquoi le prisme décompose-t-il la lumière?
A partir de la simulation dont l'adresse internet est la suivante:
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/dispersion.swf
1°/ Lorsqu’une lumière arrive sur un prisme, combien subit-elle de réfractions ?
2°/ Faire un schéma en précisant les différents angles d’incidence et de réfraction.
En lumière monochromatique, observer l’effet sur la déviation du rayon lumineux par le prisme, en changeant la longueur
d’onde de la lumière incidente.
3°/ Le trajet de la lumière dans le prisme dépend-il de sa couleur ?
4°/ Quelle est donc la grandeur caractéristique du prisme qui varie selon la longueur d’onde ?
Conclusion :
Rédiger un texte expliquant l’effet d’un prisme en verre sur le faisceaux de lumière blanche en utilisant les termes suivants :
longueur d’onde, déviation, dispersion, indice du verre.
Correction :
Chapitre 3 : La lumière provenant des étoiles :
Que nous apprend la lumière provenant des étoiles sur l'Univers ?
I La découverte de l'Univers
1) De l'infinement grand à l'infiniment petit
Activité 1 :
Quark - Noyau - Atome - Molécule - Cellule - Cils - Acarien - Baladeur - Immeuble - Terre - Système solaire – Galaxie
La matière que nous observons autour de nous, qu'elle soit vivante ou inerte, est toujours constituée à partir d'atomes.
Ces atomes peuvent s'assembler pour former des molécules, elles mêmes pouvant constituer des cellules.
Le système est constitué d'une étoile, le Soleil, boule de gaz très chaud autour de laquelle tournent huit planètes :
Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Le Soleil n'est qu'une étoile moyenne parmi un
groupe contenant environ 100 milliard d'étoiles, appelé la Galaxie (ou Voie lactée). La Galaxie n'est qu'une des
nombreuses galaxies (des milliards) qui peuplent l'Univers.
2) Structure lacunaire de l'Univers
Si le Soleil est un pamplemousse, la Terre est une tête d'épingle à 10 m. Proxima du Centaure serait à 3000 km .
Si le noyau de l'hydrogène est une balle de ping pong ; l'électron serait à 1km.
Au niveau de l'atome et jusqu'à l'échelle cosmique, la matière a une structure lacunaire : l'espace est
essentiellement occupé par du vide.
3) Longueurs de l'Univers
Le mètre, de symbole m, est l'unité de longueur dans le système international.
– L'écriture scientifique d'un nombre est l'écriture de la forme a.10n pour laquelle a est un nombre décimal tel
que 1≤ a < 10 et n est un entier positif ou négatif.
– L'ordre de grandeur d'une valeur est la puissance de 10 la plus proche de cette valeur. L'ordre de grandeur
permet d'informer sur l'importance d'une grandeur sans souci de précision.
Activité 2 :
Quark 10-18 – Noyau 10-14 - Atome 10-10 – Molécule 10-9 – Cellule 10-6 – Cils 10-5 - Acarien 10-4 - Baladeur 10-1 Immeuble 102 – Terre 107 - Système solaire 1013 – Galaxie 1021
Application :
La distance la plus longue est l'étendue de notre galaxie et la plus courte est le rayon de l'atome d'hydrogène.
4) La vitesse de la lumière
Activité 3 :
1°/ A l’origine, que pensait-t-on à propos de la lumière ?
Déplacement instantané.
2°/ Quels sont les premiers scientifiques ayant remis en question cette hypothèse ?
Alhazen, Galilée.
3°/ Quelle était leur idée ? A quelle époque ?
Vitesse de propagation finie.
4°/ A quel siècle a-t-on pu le prouver ?
17ème siècle Roemer.
5°/ Quelle valeur a été retenue ? Mais quel problème se posait alors aux scientifiques ?
Problème de précision, environ : 300000 km/s soit 3x108m.s-1.
6°/ En vous aidant de vos connaissances, calculer la distance correspondante à une année lumière.
1016m.
Dans le vide ou dans l'air, la vitesse de propagation de la lumière est : c = 3,00 . 10 8 m.s-1
L'année de lumière (a.l) est la distance parcourue par la lumière dans le vide, en une année.
5) « Voir loin c'est voir dans le passé »
Activité 4 :
La lumière nous apporte des renseignements (couleur, forme,...) sur un objet tel qu'il était au moment de l'émission de la
lumière.
Plus il est éloigné, plus la durée du trajet parcouru par la lumière est longue, et plus nous observons dans le
passé .
Application :
On observe Orion comme elle était à l'époque de l'empire Romain.
II La lumière émise
1) Lumière mono et polychromatique
Une radiation est caractérisée par une longueur d'onde donnée.
Une lumière monochromatique est composée d'une seule radiation.
Une lumière polychromatique est composée de plusieurs radiations.
L’œil humain est sensible à la lumière visible dont les radiations ont des longueurs d’onde comprises entre 400 et
800nm.
2) Spectre d'origine thermique.
Un spectre est l'image de la source de lumière que l'on obtient après décomposition par un prisme ou un réseaux. Tout
corps qui a une certaine température émet de la lumière dont le spectre est continu. (lumière polychromatique).
3) La température d'une source
Activité 5 :
1°/ Comment évolue la couleur lorsque la température s'élève fortement ?
La couleur devient de plus en plus clair, le spectre se décale vers le bleu.
2°/ La couleur semble-t-elle dépendre du corps considéré ?
Non, seulement de la température de la source.
3°/ Classer les quatre étoiles présentées ci-dessous de la plus froide à la plus chaude.
Géante bleu, Naine blanche, Soleil, Géante rouge.
Le spectre de la lumière émise par un corps chaud dépend de sa température. Il s'enrichit vers le bleu / violet
quand la température augmente.
Exercice 1,2 et 4 p 37
III Spectre d'émission et d'absorption d'une entité chimique
1) Spectre d'émission
Schéma de l'expérience : lampe à mercure, fente, lentille, réseaux, écran.
Lorsqu'une espèce chimique gazeuse est excitée (chauffage, décharge électrique), elle émet de la lumière dont le spectre
est discontinu. On parle de spectre de raies car le spectre est constitué de raies colorées sur fond noir. Chaque spectre est
caractéristique d'une espèce donnée.
2) Spectre d'absorption
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_abs_em.swf
Lorsque l'on envoie une lumière dont le spectre est continu sur une espèce chimique non excitée, celle-ci va absorber
certaines radiations. Ainsi on obtient un spectre constitué de raies sombres sur le fond coloré du spectre continu.
Une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu'elle est capable d'émettre. Les raies d 'émission ou
d'absorption permettent d'identifier une entité chimique présente dans un gaz.
IV Que nous apprend la lumière venant des étoiles ?
L'analyse de la lumière provenant d'une étoile permet de connaître sa température de surface et la composition chimique
de son atmosphère. Grâce à l'analyse du fond continu de l'étoile on peut déterminer sa température. Grâce à l'analyse
des raies sombres, on peut identifier les espèces chimiques composant sa surface.
Le Soleil est essentiellement composé d'hydrogène et d'hélium.
Exercice 5,7 et 9, 11 p37
V Réfraction de la lumière
1)Le phénomène de réfraction
Activité 1 : La pièce :
Schéma
2) Troisième loi de Snell Descartes
n1 x sin (i1) = n2 x sin (i2)
3) Dispersion de la lumière par un prisme
Activité 7 :
A partir de la simulation dont l'adresse internet est la suivante:
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/dispersion.swf
1°/ Lorsqu’une lumière arrive sur un prisme, combien subit-elle de réfractions ?
Lorsqu’une lumière arrive sur un prisme, elle subit deux réfractions: une sur la face d’entrée et une sur la face de sortie.
2°/ Faire un schéma en précisant les différents angles d’incidence et de réfraction.
En lumière monochromatique, observer l’effet sur la déviation du rayon lumineux par le prisme, en changeant la longueur
d’onde de la lumière incidente.
3°/ Le trajet de la lumière dans le prisme dépend-il de sa couleur ?
Le trajet d’une radiation dépend de l’indice du prisme car l’angle d’incidence est le même pour les différentes radiations
qui constituent la lumière blanche.
Nous observons que trajet d’une lumière dans le prisme dépend de sa couleur.
4°/ Quelle est donc la grandeur caractéristique du prisme qui varie selon la longueur d’onde ?
L'indice du prisme dépend donc de la longueur d’onde de la radiation.
Chaque radiation colorée est donc déviée de façon différente, d’où le phénomène de dispersion observé.
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