chapitre 1 la matière dans l'espace et l'univers

Chapitre 1 ● La matière, dans l'espace et dans l'univers.
Le livre du professeur • Physique-Chimie • 4e
La matière, dans l'espace et dans l'univers
1
Présentation
Le présent chapitre fait la part belle aux activités documentaires car les notions abordées sont dicilement exploitables expérimen-
talement. Il s’agit en eet d’amener les élèves à structurer leurs connaissances sur les diérentes entités célestes et les échelles de
distances dans lesquelles elles s’inscrivent. Les activités proposées sont donc basées sur l’analyse et l’exploitation de documents.
Place dans la progression
Le sous-thème «Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers» est traité dans la collection en deux chapitres, dont celui-ci
est le premier. L’objectif est que les élèves aient une représentation scientiquement acceptable des grands ensembles de matière
que l’on trouve dans l’Univers et une connaissance étayée de certains processus qui s’y déroulent.
Au chapitre suivant, les élèves seront amenés à lier l’inniment grand à l’inniment petit, en découvrant la liation entre atomes et
étoiles, ainsi que les constituants et la structure des atomes.
Cela permettra par la suite aux élèves d’avancer dans le sous-thème «Décrire et expliquer les transformations chimiques».
Sommaire
Activité 1 ................................................................................... p.2
Activité 2 ................................................................................... p.3
Activité 3 ................................................................................... p.5
Activité 4 ................................................................................... p.6
Exercices ................................................................................... p.8
Parcours de compétences ...................................................... p.12
Accompagnement personnalisé ............................................ p.13
La Physique-Chimie autrement .............................................. p.14
Annexe imprimable prête à l'emploi:
Aides à la résolution de la mission .................................... p.18
Bien que relativement bref, le sous-thème «Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers» présente des récurrences de notions
permettant une solide appropriation des repères indispensables sur la matière et son histoire dans l’Univers.
Topologie et échelles des
ensembles de matière
4e
Évolution de l’Univers et des
systèmes qui s’y trouvent.
Transformations
chimiques impliquant
des ions
3e
De l’atome à l’ion.
Constitution et structure
des atomes
3e
Les atomes et l’Univers.

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Document(s)
› Doc.1: Présentation de la provenance de l’hypothèse du Big Bang et de la recherche de lois universelles expliquant l’origine de
la matière.
› Doc.2: Représentation graphique du Big Bang de l’ination initiale à l’époque présente.
› Doc.3: Image de disque proto-planétaire du radiotélescope ALMA et texte détaillant le processus supposé de formation d’un
système planétaire.
Pour répondre à la problématique
Les élèves vont trouver dans les documents des éléments de réponse adaptés au niveau de milieu de cycle: l’ancienneté approxi-
mative des évènements ayant conduit à l’Univers et au système solaire connu aujourd’hui, et les dynamiques ayant entrainé ces
évolutions.
Évolution de l'Univers et origines de la Terre
ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE
1
Liens avec le programme
BO Galaxies, évolution de l’Univers, formation du système solaire, âges géologiques.
Connaitre et comprendre l’origine de la matière.
Comprendre que la matière observable est partout de même nature et obéit aux mêmes lois.
La matière constituant la Terre et les étoiles.
› Les items du programme sont bien détaillés, dans le sous-thème «Décrire l’organisation de la matière dans l’Univers». Cette
première activité cible plusieurs d’entre eux de manière transparente, en posant des questions an de vérier que les élèves
se sont appropriés, à partir des documents, les informations les plus importantes.
› L'activité permet de travailler la compétence suivante du domaine 1:
 COMPÉTENCE Lire et comprendre des documents scientiques pour en extraire des informations
Autres compétences possibles:
 Écrire des phrases claires, sans faute, en utilisant un vocabulaire adapté
 Maitriser les diérentes échelles spatiales
e p.
Questions supplémentaires
On pourra s’assurer que les élèves ont bien pris conscience de
l’origine de la théorie du Big Bang en leur demandant:
1. L’hypothèse du bigbang s’est imposée comme étant la plus
sérieuse car elle est compatible avec deux faits établis
inexplicables autrement. Quels sont ces faits?
Réponse: Les grands ensembles de matière s’éloignent les uns des
autres; on peut observer un fond dius cosmologique, qui serait la
première lumière émise par l’Univers.
Présentation
Le but de l’activité est d’amener les élèves
à comprendre que l’Univers ou le système
solaire actuels sont le fruit d’un processus et
ont antérieurement été très diérents.
Temps prévu
› Temps total: 25 min
·
· Présentation de la situation déclenchante et découverte des documents: 5 min
·
· Étude des documents et synthèse: 10 min
·
· Mise en commun, discussion et institutionnalisation: 10 min
1. L’Univers est âgé d’environ 13,7 milliards d’années et le Soleil et ses planètes d’environ 4,6 milliards d’années.
2. Si la Terre a mis environ 100 millions d’années à trouver sa taille dénitive et son orbite stable alors cela représente
100 000 000 × 100
4 600 000 000 = 2% de son âge.
3. La matière qui forme les étoiles, planètes et êtres vivants provient des débris d’explosion d’étoiles mêlés à un
nuage d’hydrogène formant ce qu’on appelle une nébuleuse. Cependant la matière de cette nébuleuse vient du
Big Bang, tandis que la matière de l’étoile vient elle d’une autre nébuleuse devenue étoile. En dénitive, toute la
matière que nous observons vient du Big Bang, car toutes les nébuleuses proviennent de lui.
4. En observant les nébuleuses lointaines on
apprend comment notre système solaire s’est
sans doute formé il y a 4,6milliards d’années:
la gravitation entraine la contraction d’une
nébuleuse en un disque dont le centre devient
une nouvelle étoile et le pourtour, scindé en
plusieurs anneaux, donne les planètes.
Synthèse
Exploration et analyse des documents
✔

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Les indicateurs de réussite
✔ Calculer un pourcentage ✔ Extraire et comprendre des informations sur
l’histoire de l’Univers et de la Terre
L’élève doit calculer le pourcentage correspondant
à la durée d’évolution de la Terre:
L’élève doit:
› il a comparé l’âge de la Terre à la valeur de 100% ;
› il en a en déduit le pourcentage correspondant à la durée
d’obtention de sa taille définitive et son orbite stable en
faisant: durée × 100 / âge.
› comprendre le mode de formation de l’Univers, des
étoiles;
› être capable d’expliquer la formation de la Terre en
parlant de nébuleuse et de débris d’étoiles.
Document(s)
› Doc.1: Représentation du système solaire, avec les distance exprimées en U.A. ou en m.
› Doc.2: Mode de formation des planètes dans la nébuleuse du futur système solaire.
› Doc.3: Présentation du lien entre la masse d’un noyau planétaire et la taille de la planète formée; comparaison du noyau de
Jupiter avec la masse de la Terre.
1. Il est tout à fait possible que les élèves parviennent à proposer l’hypothèse selon laquelle la température est l’une des
conditions particulières évoquées par le père de Milo. C’est en eet un paramètre d’étude des systèmes qu’ils ont bien
identié à ce stade de leur avance©ment dans le cycle 4. Cependant, pour aller au-delà et supposer que le centre de
la nébuleuse en contraction était plus chaud et que la matière que l’on y trouvait était à l’état de gaz, les élèves auront
certainement besoin d’un peu d’aide de la part du professeur.
Idéalement, l’hypothèse à formuler est: «Les conditions qui expliquent qu’une planète se forme en étant géante
pourraient être la température et l’état de la matière dans la nébuleuse là où la planète se forme».
Géantes gazeuses loin du Soleil... Pourquoi?
ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE
2
Liens avec le programme
BO Décrire la structure de l’Univers et du système solaire.
Aborder les diérentes unités de distance et savoir les convertir: du kilomètre à l’année-lumière.
Caractériser les diérents états de la matière (solide, liquide et gaz).
Caractériser les diérents changements d’état d’un corps pur.
› Cette activité permet aux élèves d’accéder à l’une des clés de la structure du système solaire, tout en revenant sur la notion
d’état de la matière et sur les paramètres qui déterminent l’état d’une substance.
› Les élèves sont également amenés à travailler sur les distances dans le système solaire et à prendre conscience qu’une unité
peut être plus adaptée qu’une autre pour exprimer la même information.
› Cette activité permet de travailler la compétence suivante du domaine 4:
 COMPÉTENCE Mettre en œuvre un raisonnement logique simple pour résoudre un problème
Autres compétences possibles:
 Écrire des phrases claires, sans faute, en utilisant le vocabulaire adapté
 Présenter mon résultat dans l’unité adaptée
Présentation
Cette activité amène les élèves à comprendre pour-
quoi les géantes gazeuses sont plus éloignées du
Soleil que les planètes telluriques.
Temps prévu
› Temps total: 45 min
·
· Étude de la situation déclenchante et formulation de l'hypothèse: 10 min
·
· Recherche et analyse de données dans les documents: 15 min
·
· Conclusion, discussion et institutionnalisation: 10 min
·
· Schématisation du système solaire: 10 min
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Formulation d’une hypothèse

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Les indicateurs de réussite
✔ Découvrir pour quelles raisons les planètes géantes
sont loin du Soleil ✔ Faire un schéma respectant une échelle
L’élève doit: L’élève doit:
› faire le lien entre les différences de température au sein de la
nébuleuse en contraction et l’emplacement des noyaux solides;
› faire le lien entre la masse des noyaux des planètes et l’intensité
avec laquelle ils attirent les éléments à proximité.
› savoir convertir des km en U.A. ;
› placer les planètes au bon endroit en respectant
l’échelle donnée.
5. Les planètes géantes sont plus éloignées du Soleil, car il se forme au centre de la nébuleuse, et que c’est en périphérie
qu’il y a susamment de matière solide pour constituer des noyaux de masse importante permettant de capter assez de
matière pour former une planète géante.
6. Il faut convertir tous les rayons orbitaux en U.A. On trouve:
Planète Mercure Mars Terre Venus Jupiter Saturne Uranus Neptune
Rayon
orbital en
U.A
O, ,  , , , , ,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Soleil
Mercure
Mars Jupiter Saturne Uranus
Terre
Venus
2. La caractéristique qui permet à un noyau de planète de capturer de grandes quantités de matière est sa masse.
3. C’est par accumulation de matière solide que se forment les noyaux des futures planètes.
4. La périphérie de la nébuleuse, plus froide, contenait plus de matière solide. L’hypothèse supposant que c’est à cause de la
température et de l’état dans lequel se trouve la matière qu’une planète géante se forme ou pas est exacte.
Conclusion
Recherche de données
✔
Analyse des données
Ressources
› Article wikipédia sur la formation du système solaire: section formation des planètes.
 https://fr.wikipedia.org/wiki/Formation_et_%C3%A9volution_du_Syst%C3%A8me_solaire

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Document(s)
› Doc.1: Présentation des objets que l’on peut observer dans le ciel et des distances qui les caractérisent.
› Doc.2: Présentation de l’Univers et des diérents types d’objets ou de structures que l’on y trouve à l’aide d’une spirale d'agran-
dissements successifs englobant l’Univers observable et zoomant peu à peu jusqu’à la planète Terre
Pour répondre à la problématique
La problématique proposée permet aux élèves de cibler les informations sur lesquelles ils auront à focaliser leur attention. Les
diérentes structures de matière rencontrées dans le cosmos, leurs liens, leurs dimensions et leurs éloignements deviennent des
informations plus facilement repérables dans les documents disponibles.
1. La distance Soleil-Canopus vaut        m.
2. Utiliser des puissances de dix dans l’écriture des distances astronomiques permet d’alléger et de rendre les résultats plus lisibles.
3. Astre Andromède
Alpha du Centaure Eridan Canopus Neptune
Distance en U.A. , ×  , × , ×  , ×,
Distance en a.I. , × , , ×  , × -
4. L’unité la plus adaptée pour exprimer les distances qui séparent les objets célestes est dans le système solaire l’U.A et
dans l'Univers l’année-lumière.
Dans le cosmos, qui fait quelle taille?
ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE
3
Liens avec le programme
BO Décrire la structure de l’Univers et du système solaire.
Aborder les diérentes unités de distance et savoir les convertir: du kilomètre à l’année-lumière. Galaxies.
Ordres de grandeur des distances astronomiques.
› Grâce à cette activité, les élèves prennent conscience des diérentes échelles qui existent dans l’Univers: tout n’est pas forcé-
ment «gigantesque». Certaines structures sont bien plus grandes que d’autres.
› Les unités les plus adaptées varient en fonction des structures que l’on considère.
› Cette activité permet de travailler la compétence suivante du domaine 5:
 COMPÉTENCE Identier diérentes échelles spatiales
Autres compétences possibles:
 Présenter mon résultat avec l’unité adaptée
5. Classement du plus petit au plus grand des objets suivants: étoile, système solaire, galaxie et Univers.
Synthèse
Présentation
Cette activité a pour but d’amener les élèves à bien identier
les structures de matière les plus connues parmi celles que
l’on trouve dans l’Univers. L’objectif est également que leurs
appartenances respectives les unes aux autres et les ordres de
grandeurs soient connus.
Temps prévu
› Temps total: 30 min
·
· Présentation de la situation déclenchante et découverte
des documents: 5 min
·
· Étude des documents et synthèse: 15 min
·
· Mise en commun, discussion et institutionnalisation: 15 min
e p.
Exploration et analyse des documents
✔