Seconde – Physique partie A- Chap2- document élève Chapitre 2 : Outils de description de l'univers et du système solaire Activité 1 Répartition des planètes dans le système solaire Lire le texte donné en annexe présentant sommairement le système solaire. Le tableau qui suit peut être exploité durant tout le chapitre. Vous aurez à compléter la colonne vide au cours de l’activité. Astre Diamètre Distance au soleil Distance au Période de (en km) (en millions de soleil révolution km) (en km) (en jours) Étoile Soleil 1 400 000 1. Mercure 4 800 58 88 2. Venus 12 200 110 225 Planètes telluriques 3. Terre 12 750 150 365 4. Mars 6 700 230 687 5. Jupiter 143 000 780 4333 6. Saturne 122 000 1 400 10760 Planètes géantes 7. Uranus 52 000 2 900 30600 8. Neptune 48 000 4 500 60190 1. Écrire avec tous les zéros nécessaires la valeur de la distance entre le Soleil et la Terre en kilomètres. 2. Quel est l'inconvénient "pratique" d'une telle écriture ? 3. Proposer une "technique" pour écrire avec des chiffres cette même distance en kilomètres, sans écrire trop de zéros. 4. Avec cette "technique" écrire de deux façons différentes la distance entre le Soleil et Neptune en kilomètres. Notation scientifique. De façon plus générale, on peut écrire n'importe quel nombre selon un "format" qu'on appelle "notation scientifique" : En notation scientifique, tout nombre est écrit comme le produit d’un nombre compris entre 1 et 10 et d’une puissance de 10 : a 10 n où 1 a < 10 et n un entier positif ou négatif. Exemple : la valeur de la distance Soleil-Terre s’écrit 1,50.108 km. 5. Compléter la colonne vierge du tableau à l'aide de la notation scientifique. ----------------------------------------- Activité 2 Un outil pratique pour . . . . . . . . . . . . . : l'ordre de grandeur A- Questions préliminaires 1. Selon vous, quel est l’ordre de grandeur de la taille des objets suivants (cocher une case par objet) fourmi : un km pouce : un km immeuble de 10 étages un km une dizaine de m une dizaine de m une dizaine de m un m un m un m un cm un cm un cm un mm un mm un mm 2. A partir de ces exemples, indiquer selon vous à quoi peut servir l'ordre de grandeur. 3. Compléter le titre de l'activité. ----------------------------------------- sesames 1/5 v9 - octobre 2007 Seconde – Physique partie A- Chap2- document élève B- A quoi sert la notion d'ordre de grandeur en science ? L'ordre de grandeur est un outil scientifique dont on peut avoir besoin : 1- Lorsqu'on veut faire des comparaisons rapides et approximatives de deux nombres qui sont très différents (on dit qu'ils ne sont pas du même ordre) ; 2- Lorsqu'on veut situer différents nombres sur une très grande "échelle", généralement pour les comparer entre eux. C- Détermination d'un ordre de grandeur On dispose d'une définition mathématique qui permet de déterminer l'ordre de grandeur d'un nombre. L'ordre de grandeur d'un nombre a 10 n est une puissance de 10 proche de ce nombre. On l'obtient en appliquant le critère suivant : Si a < 5 alors l'ordre de grandeur du nombre est 10n : l'ordre de grandeur de 3,2.102 est 102. Si a> 5 alors l'ordre de grandeur est 10n+1 : l'ordre de grandeur de 7,3.102 est 103. Si a=5, on peut convenir que l'ordre de grandeur est 10n+1. Ce critère est une convention et peut être modifié. On pourrait choisir une autre convention qui permettrait aussi de comparer approximativement différents nombres entre eux. Par exemple, avec une autre convention, on pourrait dire que l’ordre de grandeur du nombre a x 10 n est 10n quel que soit a. En physique, on utilise cette définition en l'adaptant à l'ordre de grandeur d'une valeur : L'ordre de grandeur d'une valeur (= nombre + unité) est l'ordre de grandeur du nombre + l'unité. D- Entraînement au passage d'une valeur à son ordre de grandeur Donner les ordres de grandeurs des valeurs suivantes : Notation scientifique Valeur 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Vitesse de la lumière 299 792 458 m/s Distance Paris Nice par autoroute 930 km = 930.103 m Masse de la tour Eiffel 7300 tonnes environ, soit 7300.103 kg Hauteur de la tour Eiffel 312 m Diamètre du soleil 1,4 millions de km = 1,4 .109 m Durée d'une année en seconde 31 558 milliers de secondes Rayon de l'atome d'hydrogène (le plus petit des atomes) 53 pm = 53.10–12 m Diamètre de notre galaxie 9,5.1017 km = 9,5.1020 m La masse d'eau de pluie tombant chaque année en France 330.109 t = 330.1012 kg La distance Terre-Soleil 150.106 km = 150.109 m Hauteur d’un arbre 15m Volume d'eau nécessaire pour fabriquer une tonne de papier : Environ 300 000 L Taille moyenne d’un humain adulte 1m70 Masse de CO2 produite par une petite auto en 10000 km. 1380 kg Longueur de la bactérie colibacille 2,5 µm = 2,5.10–6 m Masse d'ordures ménagères par habitant en France Environ 400 kg Rayon du proton 1,2.10–15 m Epaisseur d’un cheveu 80 µm = 80.10–6 m sesames 2/5 Ordre de grandeur Notation scientifique Ordre de grandeur m/s m/s km km m m t t kg kg m m km km m m pm pm m m km km m m t t kg kg km km m m m m L L m m kg kg m m kg kg m m m m µm µm µm µm v9 - octobre 2007 Seconde – Physique partie A- Chap2- document élève E- Utilisation de la notion d'ordre de grandeur 1ère fonction : comparer rapidement 1. Calculer le rapport entre l'ordre de grandeur du diamètre de notre galaxie et l'ordre de grandeur du diamètre du soleil. 2. Compléter la phrase suivante en français : notre galaxie est approximativement ……………… fois plus grande que le soleil. 2e fonction : situer différentes valeur sur une "échelle" d'ordre de grandeur. 3. Parmi les exemples proposés dans le tableau précédent, placer ci-dessous les valeurs de distances en fonction de leur ordre de grandeur (comme sur l'exemple). femtomètre picomètre nanomètre micromètre millimètre mètre fm pm nm mm m m 10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 kilomètre mégamètre gigamètre téramètre petamètre examètre km Mm Gm Tm Pm Em Zm 10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 ----------------------------------------- Activité 3 Réalisation d'une maquette du système solaire dans le couloir du lycée On souhaite réaliser une maquette du système solaire dans le couloir du lycée. Chaque binôme travaille sur deux planètes données : il doit déterminer les positions des planètes et leurs tailles dans la maquette. Pour l'échelle, on choisit d'utiliser la totalité du couloir pour y placer au moins Jupiter. On décide alors que la distance Jupiter-Soleil vaudra . . . . . . . . . . . . . pour la maquette. 1. En déduire l'échelle et l'indiquer à la façon des géographes : 1:………… 2. A cette échelle, quel doit être le diamètre d'un objet représentant le soleil dans la maquette ? Quel objet pourrait approximativement convenir ? On placera un tel objet à l'une des extrémités du couloir. 3. Calculer le diamètre de "vos planètes" et leurs distances au soleil dans la maquette. 4. Pour chacune de vos planètes, représenter la planète sur une feuille blanche (si ce n'est pas trop petit) et indiquer dans le coin en haut à gauche : le diamètre réel et le diamètre à l'échelle (ou diamètre réduit) ; la distance réelle au soleil et la distance à l'échelle (distance réduite). On pourra aussi choisir, parmi tous les objets sphériques disponibles, celui qui convient le mieux pour représenter la planète et l'accrocher à un fil "invisible". Placement des planètes : vous disposez soit du plan de l'étage du lycée (avec une échelle précisée) soit de décamètres. 5. Si vous pouvez placer "vos planètes" dans le lycée, faites-le le plus précisément possible. Sinon, indiquer approximativement, à l'aide de plans ou de cartes, où vous devriez les placer. Questions d'exploitation 6. a) A quelle distance de l'objet représentant le soleil devrait-on placer à cette échelle l'étoile la plus proche du soleil (Proxima du Centaure), située à 4,07.1013 km ? b) Justifier à l'aide de la maquette, et éventuellement à l'aide d'un dictionnaire, l'affirmation suivante : "le système solaire a une structure lacunaire". 7. a) Le schéma du système solaire représenté dans le document annexe vous semble-t-il "à l'échelle", c’est-à-dire respectant une même échelle pour toutes les orbites tracées ? Même question pour le photo-montage à la fin du document annexe, au sujet des distances entre le soleil et les planètes. b) Sur le photo-montage, l’échelle a-t-elle été respectée pour les tailles des planètes ? sesames zettam ètre 3/5 v9 - octobre 2007 Seconde – Physique partie A- Chap2- document élève Activité 4 Vitesse de la lumière dans l'univers et application à la désignation des distances La vitesse de la lumière dans le vide vaut 3,00.108 m/s (ou noté aussi m.s-1), soit environ trois cent mille kilomètres par seconde. C’est une vitesse limite : il n’existe pas de vitesse supérieure. Remarque : la vitesse de la lumière dans l’air est quasiment la même que dans le vide. 1. Le son se propage dans l'air à la vitesse de 340 m/s c'est-à-dire beaucoup plus lentement que la lumière. Pour mieux percevoir l'écart entre la vitesse de propagation de la lumière et celle du son, on raisonne sur l'analogie suivante : Le TGV, qui va à 300 km/h, soit 83,3 m/s, correspond à la lumière. On cherche un objet en mouvement pour correspondre au son. Lumière TGV Son ??? a. Selon vous (sans calcul et intuitivement), quel est l'objet qui convient le mieux : Un avion de chasse dans le ciel Une voiture sur autoroute Un cheval au galop Un marcheur (marche normale) Une limace b. Pour que l'analogie soit convenable, quelle doit être la valeur de la vitesse de cet objet qui correspond au son (en m/s). c. Donner le résultat en cm/h. d. Modifier éventuellement (en marquant la différence éventuelle avec une autre couleur) votre prévision initiale. 2. Donner un exemple courant qui illustre la différence entre la vitesse du son et celle de la lumière dans l’air. ----------------------------------------- Activité 5 L'année de lumière : une unité de distance Une année de lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une année. Le symbole de cette unité de distance est a.l.. ATTENTION, l’année de lumière est bien une unité de distance et non de temps… 1. La lumière émise par Proxima du Centaure (étoile la plus proche de notre système solaire) met 4,3 années pour atteindre la Terre. Quelle est la distance, en années de lumière, entre cette étoile et la Terre ? 2. Antarès est une étoile située à 170 années de lumière de la Terre. a. Combien de temps la lumière émise par Antarès met-elle pour nous parvenir ? b. Comment est-il possible que certains scientifiques pensent que cette étoile s'est déjà éteinte alors qu'elle est encore visible dans le ciel ? 3. Calculer la distance en mètre parcoure par la lumière en une année. 4. En déduire la valeur d'une année de lumière en mètre. 1 a.l. = . . . . . . . . .m. 5. Quel est, en mètre, l'ordre de grandeur de l'année de lumière. 6. a. Calculer la distance, en kilomètre, entre Proxima du Centaure et la Terre. b. A partir de cet exemple indiquer l’intérêt qu’il y a à exprimer les distances des astres en année de lumière. 7. Combien de temps (en minutes) la lumière met-elle pour nous parvenir du Soleil ? Est-ce que l'année de lumière est une unité adaptée pour la distance Soleil-Terre ? Proposer une autre unité plus adaptée (ni l'année de lumière, ni le mètre). sesames 4/5 v9 - octobre 2007 Seconde – Physique partie A- Chap2- document élève Document annexe LES COMPAGNONS DU SOLEIL La nuit, des milliers d’étoiles scintillent dans le ciel. Toutes ces étoiles font partie de notre galaxie, la voie lactée. Le soleil, vieux de 5 milliards d'années environ, est une étoile parmi elles. C’est l'étoile la plus proche de la Terre. Autour de lui gravitent huit planètes dont la Terre. Comme la Terre, toutes les planètes tournent sur elles-mêmes. Eclairées par le soleil, elles nous renvoient une partie de la lumière quelles reçoivent et brillent dans le ciel. La plus connue est Vénus, appelée improprement " étoile du berger ". Contrairement aux étoiles qui, chaque soir, se retrouvent à la même place dans le ciel, la position des planètes change, d’où leur nom : planète signifie « astre errant » en grec. Les huit planètes du système solaire sont, de la plus proche à la plus éloignée : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Toutes ces planètes se déplacent sur des orbites pratiquement circulaires. Seule la Terre fait un tour complet du soleil en 365 jours. Les planètes du système solaire sont divisées en deux grandes catégories. terre, en latin). Mercure, Vénus, la Terre et Mars sont ainsi toutes constituées d’une matière rocheuse et leur surface est solide. Leur taille n’est pas très importante et elles ne possèdent pas beaucoup de satellites (Mars en a deux, la Terre, un seul). Elles circulent sur des orbites relativement proches du soleil. On appelle planètes géantes gazeuses les quatre planètes largement plus grande et plus lourde que la Terre : Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Jupiter, par exemple, est onze fois plus grande que la Terre et mille fois plus lourde. Ces planètes sont essentiellement constituées de gaz, et leur surface n’est pas dure. Entourées d’anneaux et possédant de nombreux satellites, elles circulent à des distances du soleil plus importantes que les planètes telluriques. On appelle planètes telluriques les planètes qui ressemblent à la Terre comme l'appellation le suggère (tellus = Soleil ou sur fond blanc : Soleil sesames 5/5 v9 - octobre 2007