Chp 1 presentation de l univers

Seconde_Thème 1_L’UNIVERS
chapitre 1_Présentation de l’Univers
THEME 1 :
chapitre 1 :
L’UNIVERS
PRESENTATION DE L’UNIVERS
L’Univers correspond à tout ce qui existe, nous entoure et nous constitue. Il comporte des objets extrêmement
petits, comme les atomes, ou extrêmement grands à l’image des galaxies. Dans notre environnement proche, les tailles
des objets et les distances sont généralement proche l’échelle humaine c’est-à-dire de l’ordre de quelques mètres, entre
le millimètre et le kilomètre. Au-delà, on parle des mondes de « l’infiniment petit » (l’échelle microscopique) et de
« l’infiniment grand » (l’échelle macroscopique).
On se propose ici de décrire l’Univers en rappelant quelques outils mathématiques nécessaires à cette
présentation.
Cf Activités Expérimentales 1 et 2.
Les longueurs dans l’Univers.
I.
Pour estimer les longueurs, les scientifiques se sont basés sur des références. Par commodité,
elles doivent être familières et proches de la taille d’un être humain. En France, on utilise le mètre comme
unité de longueur.
1. L’écriture scientifique.
a. Les nombres, dans la notation scientifique, s’écrivent souvent sous la forme d’un produit. Rappeler cette
écriture.
b. Quel est l’intérêt d’une telle écriture ?
c. Peut-on dire que les écritures présentant une puissance de 10 négatives correspondent à des longueurs
négatives ?
d. Donner les notations scientifiques ci-dessous en précisant les objets associés :
180 cm = ……………
2.
6 371 km = ……………
0,1 nm = ……………
Les puissances de 10.
Multiples
101
102
103
106
109
…
Sous-multiples
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
…
a. Reproduire et compléter le tableau ci-dessus.
b. Rappeler brièvement les quelques règles de calcul suivant :
100 = ……
M.Meyniel
10a  10b = ……
1
10𝑎
= ……
10𝑏
10𝑎
= ……
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chapitre 1_Présentation de l’Univers
……
3. L’ordre de grandeur.
……
a. Rappeler la définition de l’ordre de grandeur.
b. Préciser son intérêt.
c. Applications :
Ecrire en notation scientifique :
- la taille d’une molécule d’eau :
- le rayon du Soleil :
1
…
5
…
10
d(H2O) = 0,000 000 000 15 m ;
Rsoleil = 700 millions de mètres.
Calculer la différence d’ordre de grandeur entre ces deux dimensions.
d. Que ne faut-il jamais oublier lorsqu’on exprime le résultat d’un calcul, d’une mesure ?
II.
Vers l’infiniment petit : l’échelle microscopique (< 10-3 m).
Comme un jeu de poupées russes, le scientifique explore toujours plus loin le monde de
l’infiniment petit. Ainsi, l’Homme est constitué de cellules. On peut mesurer la taille d’une cellule avec un
microscope : les cellules végétales ont une dimension de 100 µm ; les cellules animales font quelques dizaines
de micromètres (un globule rouge possède un diamètre de 7 µm). Ces cellules sont constituées de molécules,
associations d’atomes.
a. Exprimer le diamètre dGB d’un globule rouge en mètre. Quel rôle joue-t-il dans un organisme ?
b. Comment dénomme-t-on la molécule support de l’information génétique dans les cellules animales
possédant un noyau ?
c. Donner la constitution d’un atome ?
d. Représenter sur un axe fléché les 5 objets écrits en gras en précisant leur ordre de grandeur en mètre.
e. Dans une représentation à l’échelle, si le stade de France modélise un atome, son noyau serait
représenté par un grain de riz au centre ! Qu’y a-t-il entre le noyau et la périphérie de l’atome ?
Conclure quant à la structure d’un atome.
L’expérience de Rutherford :
De nombreuses hypothèses et idées ont été avancées pour tenter d’expliquer l’atome jusqu’à ce que Lord
Ernest Rutherford (physicien neozélandais, 1871-1937, prix Nobel en 1908) mette tout le monde d’accord avec son
expérience devenue historique et réalisée en 1911.
Cette expérience consiste à envoyer sur une très mince feuille d’or un faisceau de particules alpha émises par un
échantillon constitué d’éléments radioactifs (ici, le radium, symbole Ra) et à observer leur trajectoire.
On observe, ou plutôt Rutherford observa, que la plupart
des particules émises traversaient sans subir de déviation
la feuille d’or (0,01 %) et qu’elles produisaient donc un
impact visible sur un écran fluorescent situé derrière la
feuille d’or.
On constate aussi qu’un petit nombre de particules sont
fortement déviées en la traversant, et que d’autres, par
contre, sont renvoyées en arrière.
f. Quelles conclusions Rutherford a-t-il pu faire à l’époque ?
M.Meyniel
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III.
chapitre 1_Présentation de l’Univers
Vers l’infiniment grand : l’échelle cosmique (> 103 m).
1. De l’Homme à l’Univers.
Longtemps, l’Homme a cru être le centre de l’Univers en plaçant la Terre au centre du système
solaire. En fait, l’Homme habite sur Terre, une planète appartenant au système solaire comme …… autres.
a. Qu’y a-t-il dans le système solaire ?
b. Rappeler le nom de notre galaxie, amas d’étoiles « proches » du Soleil.
c. De quoi est alors constitué l’Univers ?
d. Représenter sur un axe fléché les 5 objets écrits en gras en précisant leur ordre de grandeur en mètre.
e. Dans une représentation à l’échelle, si le stade de France représente le système solaire, le Soleil serait
une tête d’épingle au centre. De même, les distances entre les galaxies sont très grandes comparées à
leur taille. Entre les objets, dans l’espace interstellaire, il y a essentiellement du vide.
Que peut-on faire entre le système solaire et le modèle de l’atome ? Justifier.
2. Une unité adaptée aux longueurs cosmiques : l’année de lumière.
Cf Vidéo
Les distances rencontrées dans l’espace étant très grandes, il convient d’utiliser une unité plus
adaptée aux longueurs parcourues : on parle de l’année de lumière (al).
a. Comment se propage la lumière dans le vide ou dans un milieu homogène et transparent ?
b. A quelle vitesse va-t-elle dans le vide (ou dans l’air) ? Qu’est-ce qui peut aller plus vite ?
c. Donner la définition de l’année de lumière. Cette grandeur peut-elle varier ?
d. Calculer sa valeur dal en explicitant rigoureusement le calcul.
e. La Voie Lactée mesure DVL = 9,5.1017 km. Convertir cette dimension en année de lumière.
f. L’Univers possède un diamètre de dUnivers = 15.109 al. Convertir en mètre cette valeur.
g. La deuxième étoile la plus proche de la Terre, Proxima du Centaure, se trouve à 4,3 al de nous.
Combien la lumière émise par cette étoile met de temps pour nous parvenir ?
Quand on regarde cette l’étoile directement que voit-on donc en réalité ?
h. La galaxie d’Andromède est à 2,3.106 al de la Terre. Conclure.
Conclusion :
L’Univers est constitué de galaxies qui sont constituées d’astres qui sont constituées de
molécules qui sont constituées d’atomes. La matière est donc constituée à partir d’atomes, éléments de base,
qui sont séparés par du vide. Avant de s’intéresser à l’atome, on va voir comment l’Homme s’est ingénié à
étudier les objets qu’il ne peut atteindre pour mettre en évidence l’unité structurale atomique de l’Univers.
Compétences exigibles
- Savoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de
l’atome qu’à l’échelle cosmique.
- Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l’air).
- Connaître la définition de l’année-lumière et son intérêt.
- Expliquer l’expression : « voir loin, c’est voir dans le passé ».
- Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur.
M.Meyniel
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Exercice 1 :
chapitre 1_Présentation de l’Univers
On considère les longueurs suivantes :
107,30 km / 2 741,94 cm / 0,000 000 0010 µm / 0,012 km / 0,4000 mm / 100 000 000 m /
0,000 0254 Mm / 32,01 µm / 680 nm / 1 325 dm / 50,003 hm / 3,1415 pm
Sous la forme d’un tableau :
1. Ecrire ces longueurs en notation scientifique.
2. Les convertir en mètre.
3. Déterminer les ordres de grandeurs en mètre de chacune de ces longueurs. Ne pas oublier l’unité.
Exercice 2 :
L’étoile polaire est située à d = 4.1018 m de la Terre.
1. Rappeler la définition de l’année de lumière.
2. a. Expliquer comment convertir une année de lumière en mètre, puis vérifier que : 1,0 al = 9,5.1015 m
b. Donner, en mètre, l’ordre de grandeur de l’année de lumière.
3. Convertir alors la distance d en année de lumière.
4. En déduire le temps que met la lumière de l’étoile polaire pour nous parvenir.
5. Le Nuage de Magellan est une petite galaxie située à D = 1,7.105 al de la Terre.
Convertir cette distance en kilomètre.
6. Qu’y a-t-il entre les différents astres de l’univers ? Conclure quant à la structure de l’Univers.
La distance Terre-Vénus a été mesurée par écho radar pour la première fois en 1961.
La vitesse de propagation de l’onde utilisée est la même que celle de la lumière dans le vide.
Exercice 3 :
La durée séparant l’émission du signal radar et la réception de l’écho était Δt = 2,76.102 s.
1. Schématiser la situation.
2. a. Calculer la distance D entre la Terre et Vénus lors de cette mesure.
b. Ecrire le résultat en notation scientifique en kilomètre et préciser l’ordre de grandeur de la valeur trouvée.
L’Atomium de Bruxelles symbolise la structure atomique du cristal de fer agrandie
165 milliards de fois. L’atome de fer est alors représenté par une boule de rayon égal à Rboule = 18 m.
Exercice 4 :
1. Déduire du texte le rayon ratome d’un atome de fer, en l’exprimant en notation scientifique avec le mètre
comme unité. Préciser l’ordre de grandeur.
2. Le rayon du noyau de fer vaut de rnoyau = 5,28.10-15 m.
a. Comparer cette valeur au rayon de l’atome.
b. Qualifier alors la structure des atomes en justifiant.
Exercice 5 :
La lumière du Soleil met environ une durée Δt = 8 min pour nous parvenir.
A quelle distance se trouve le Soleil de la Terre ?
M.Meyniel
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