Partie I Exploration de l`espace

Partie I
Exploration de l’espace
Chapitre 1 : L’échelle des longueurs de l’Univers
Objectifs :
Utiliser à bon escient les noms des objets remplissant l’espace aussi bien au niveau
microscopique (noyau, atome, molécule, cellule etc...) qu’au niveau cosmique (Terre, Lune,
planète, étoile, galaxie).
Savoir classer ces objets en fonction de leur taille.
Savoir positionner ces objets les uns par rapport aux autres sur une échelle de distances.
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.
Introduction
vidéo « c’est pas sorcier » : système solaire et galaxies
I - De l'infiniment grand à l'infiniment petit
Vidéo puissance de dix (voyage en continu)
Diaporama puissance de dix (ordres de grandeurs + instruments d’obsevation)
Images CERN (échelle + images accompagnées d’explications)
Cours
1 - Vers l’infiniment grand
Au-delà des dimensions de la Terre nous allons vers l’infiniment grand. Ce domaine est celui
de l’astronomie.
1.1- Le système Solaire :
- Diamètre de la Terre : 107m.
- 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 U.A. / 1 U.A. = 1,5 x 1011 m.
- La Terre fait partie du système solaire avec huit autres planètes qui sont :
Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, (Pluton).
- Le Soleil et l’ensemble des objets en révolution autour de lui constituent le système Solaire.
( Les planètes et leurs satellites, les astéroïdes, les comètes font partie du système Solaire.)
- Limite du système solaire 1013 m.
1.2- 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.
(a.l. : distance parcourue par la lumière en une année dans le vide. )
- Limite de notre galaxie : 1021 m.
1.3- L’Univers :
- Il contient des centaines de 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.
- Limite de l’univers observable : 1026 m.
1.4- Voir loin, c'est voir dans le passé
La lumière émise par une étoile met en général beaucoup de temps pour nous parvenir.
A son arrivée sur Terre, elle porte en elle une information qui date de l’époque où la lumière a
été émise.
Plus on regarde loin, plus on voit des objets tels qu’ils étaient dans un
passé reculé.
2 - Vers l’infiniment petit
En dessous des dimensions de ce qui est visible (0,01 mm = 10 µm) nous allons vers
l’infiniment petit. Ce domaine est celui de la chimie et la biologie.
2.1- Les cellules (10-6 m)
La structure de base de la matière vivante est la cellule. Les dimensions des globules
blancs, par exemple, sont d’environ 3 µm soit 3 microns.
2.2- Les molécules (10-9 m)
La plupart des matériaux qui nous entourent sont constitués de molécules ; celles-ci
correspondent à un assemblage organisé d’atomes. Les dimensions des molécules sont de
l’ordre de 10-9 m = 1 nm. Certaines grosses molécules organiques peuvent dépasser le
millimètre.
2.3- Les atomes (10-10 m)
L’atome est la plus petite entité pour laquelle on peut encore parler de matière. Celui-ci est
constitué d’un noyau central (10-15 m) et d’un nuage électronique.
L’atome peut être assimilés à une sphère dont le rayon atomique est de l’ordre de 0,1
nanomètre ( 10 –10 m). Le noyau est donc cent mille fois plus petit.
3 - Structure lacunaire de l’univers
Il existe une propriété commune aux structures infiniment petites et infiniment grandes. Il
s'agit de la structure lacunaire.
Dans une telle structure, la matière est assez bien localisée dans certaines régions de l'espace
et entre ces zones où se concentre la matière il règne le vide où le quasi vide.
Par exemple: Entre le noyau d'un atome et les électrons, il y a le vide. De même entre les
galaxies il y a le quasi vide.
II - Echelle des longueurs
Activité 1 : p.12 (classer les objets)
Activité 2 : p.13 (estimer des longueurs)
Mettre sur une échelle graduée de dix en dix.
Cours
1 - puissance de 10
1.1- La notation scientifique
La notation scientifique est l'écriture d'un nombre sous la forme :
a × 10n
avec : 1 ≤ a < 10
n = nombre entier positif ou négatif
Exemples :
34.103= 3,4. 104
86 164 = 8,6164 × 104
0,0 000 568 = 5,68 × 10-5
1.2- Opération avec les puissances de 10
10m × 10n = 10m+n
10-n = 1/10n
10m/10n = 10m-n
(10m)n = 10m.n
1.3- Multiples et sous multiples
10-18 10-15 10-12 10-9 10-6
10-3 1 103 106
atto femto pico nano micro milli
109 1012 1015
kilo méga giga tera peta
2 - Ordres de grandeurs
a)- Définition: l’ordre de grandeur d’un nombre ou d'un résultat est la
puissance de dix qui s’en approche le plus.
b)- Méthode:
Détermination de l’ordre de grandeur d’une longueur :
- l’exprimer en notation scientifique en conservant son unité de départ.
- convertir la longueur dans une unité pertinente.
- arrondir a (arrondi à 1 si a < 5, arrondi à 10 si a ≥ 5).
Exemples :
* Distance Terre/Soleil = 1,5 × 1011 m
Ordre de grandeur = 1011 m
* Rayon de la Terre = 6,4 × 106 m
Ordre de grandeur = 107 m
* Calculer l'ordre de grandeur du rapport entre la masse de la Terre (MT) et la masse de la
Lune (ML) :
MT = 6,0 × 1024 kg
ML = 7,4 × 1022 kg
MT / ML = (6,0 × 1024) / (7,4 × 1022). Ordre de grandeur = 102
La différence d’ordre de grandeur est 2 car le quotient vaut 102
Remarque : Deux grandeurs ont le même ordre de grandeur si le quotient de la plus grande
par la plus petite est compris entre 1 et 10.
Longueurs (en m)
3,1 x 103
87
3 x 10-2
8,5 x 10-2
0,00081
Ordre de grandeur (en m)
103
Nombre de chiffres significatifs
2
2.1- Intérêt
- 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.
3 - Axe des puissances de 10
Pour représenter l’ensemble des longueurs très différentes, on utilise un axe gradué en
puissances de 10. Schéma p.17
Cette échelle n'est pas linéaire : quand on passe d'une graduation à la suivante, la longueur est
multipliée par 10.
L'échelle des longueurs actuellement explorées s'étend de 10-15 à 1026 m. (41 puissances)
Devoirs maison :
Ex 6, 8, 10 p.19
Ex 16 p.20