Fiches pédagogiques "Le Monde de l`invisible"

Guide pédagogique Le monde de l'invisible 1 Parc du Futuroscope – CANOPÉ Poitiers
Société du Parc du Futuroscope, SA au capital de 6
604 500
€, si
ège social
: BP 200
0
-
86130 Jaunay
-
Clan, RCS de Poitiers B 444 030 902.
SOMMAIRE
Présentation de l'attraction et des fiches.......p.2
Fiches pédagogiques...................................p.3 à 20
Eléments de corrigés ............................p. 21 à 25
Ces fiches ont été conçues et réalisées par le Canopé - CRDP Académie de Poitiers,
avec le concours de Christophe Métayer, professeur certifié de sciences physiques et chimiques
au collège Pierre Mendes France (La Rochelle).
FICHES PÉDAGOGIQUES
Juin 2016

Guide pédagogique Le monde de l'invisible 2 Parc du Futuroscope – CANOPÉ Poitiers
Et si vous aviez le pouvoir de détecter toutes les choses qui vous entourent mais qui sont invisibles à l’œil nu
parce qu’elles sont trop petites, trop rapides ou trop lentes ?
C'est ce que propose le film Le monde de l'invisible, projeté en technologie Imax à l'Omnimax.
Dans ce film produit par National Geographic, nous explorons un monde inconnu et découvrons que nous
ne percevons qu’une part infime de ce qui est visible sur Terre.
3 procédés sont utilisés dans ce film :
- Révéler ce qui est trop lent, grâce à l'utilisation d’un
enregistrement vidéo en accéléré.
- Les caméras à haute vitesse permettent d'inverser le
rythme de la vidéo pour montrer ce qui est 1000 fois trop
rapide.
- Les images de l’infiniment petit sont obtenues à l’aide d’un
microscope électronique.
Les fiches pédagogiques proposées ci-après ont été élaborées pour être utilisées soit :
- Par des élèves du lycée (pages 3 à 15)
- Par des élèves du collège (pages 16 à 20)
- Les corrigés se trouvent après les 2 versions.
PR
É
SENTATION DE
L'
ATTRACTION
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SENTATION D
ES FICHES PEDAGOGIQUES
©
National Geographic Entertainment

Guide pédagogique Le monde de l'invisible 3 Parc du Futuroscope – CANOPÉ Poitiers
Voici ci-dessous un schéma du spectre électromagnétique comprenant le spectre « visible » de la lumière
blanche.
Rayons gamma, rayons X, ultraviolet, lumières « visibles », infrarouge, micro-ondes, ondes radio inondent
notre quotidien et pourtant nos cinq sens ne permettent pas de les détecter… Passer un coup de fil sur son
téléphone portable, écouter la radio ou un CD, trouver son chemin grâce au GPS, passer une radio à l’hôpital,
se faire réchauffer un petit plat au micro-ondes, bronzer sur la plage, scanner un code-barre au supermarché,
regarder la télé sur un écran plat : autant de situations de la vie quotidienne qui, aussi surprenant que cela
puisse paraître, ont un point majeur en commun… toutes mettent en jeu des « ondes électromagnétiques ».
Une onde électromagnétique peut se représenter comme un flux d’énergie capable de se propager, dans le
vide ou dans l’air, à la vitesse de la lumière. Cette énergie est transportée dans l’environnement sous la
forme d’un champ électrique et d’un champ magnétique variables… d’où le qualificatif
d’« électromagnétiques ».
Les ondes se distinguent notamment par une grandeur : la fameuse « longueur d’onde ». Pour mieux
comprendre, nous savons que l’impact d’un caillou tombé dans un lac génère la formation de petites vagues
successives (cercles dans l’eau) qui peu à peu perdent en intensité alors qu’elles touchent le rivage.
On définit alors la longueur d’onde comme la distance qui sépare les sommets de deux petites vagues
successives.
En regardant la largeur du spectre, on peut constater qu’elle est très importante puisque les longueurs
d’onde vont du kilomètre pour les ondes radio à 10
-16
mètres (0,0000000000000001 m) pour les rayons
gamma !
Le seul moyen de détecter ces ondes est de les faire interagir avec la matière. Certaines ondes
électromagnétiques sont d’ailleurs aujourd’hui utilisées pour mieux comprendre comment la matière est
constituée.
Lumière invisible
Secondaire (lycée) Fiche 1

Guide pédagogique Le monde de l'invisible 4 Parc du Futuroscope – CANOPÉ Poitiers
1 – Est-il possible de voir la lumière « visible » à l’œil nu ?
2 – Quel est le domaine de longueurs d’onde, exprimé en nanomètre (nm), correspondant à la lumière
« visible » ?
< λ <
3 – Depuis l'Antiquité, le phénomène de décomposition est bien connu par
l’observation de l'arc-en-ciel par exemple. Pour beaucoup de monde,
l'explication repose sur la théorie d'Aristote (384 av. J.C.- 322 av. J.C.) : la
lumière naît blanche et les couleurs naissent successivement de son
affaiblissement. Le rouge et le jaune, couleurs de la flamme,
correspondent à de la lumière blanche peu affaiblie ; par contre le vert, le
bleu puis le violet correspondent à de la lumière blanche plus affaiblie.
Pour Aristote, le verre est une matière qui affaiblit la lumière qui le
traverse.
En 1665, Newton termine ses études à Cambridge quand la peste entraîne
la fermeture de l'université. Il doit rentrer chez lui à la campagne. Newton
va y passer un an de vacances tout en poursuivant ses expériences
commencées à Cambridge sur les irisations obtenues à la sortie du prisme.
Il essaie d'abord de trouver un modèle rendant compte de cet affaiblissement progressif de la lumière par le
verre. Puis il lui vient une idée : la lumière blanche est déjà un mélange de lumières de toutes les couleurs et
le prisme les dévie différemment. Pour vérifier son hypothèse, il réalise l'expérience suivante : un pinceau de
lumière solaire, ayant traversé un trou dans les volets, tombe sur un prisme qui en donne un spectre étalé et
irisé sur une planchette.
Dans cette planchette, il perce un trou placé dans la partie bleue du spectre pour laisser passer un pinceau
bleu. Il place ensuite un deuxième prisme sur le trajet de ce pinceau bleu : celui-ci est à nouveau dévié mais
n'est plus irisé et surtout garde la même couleur après avoir traversé le verre du prisme.
Il conclut que le verre du prisme ne colore pas la lumière qui le traverse mais sépare seulement
différemment des rayons colorés préexistants. La lumière est donc un mélange d'une infinité de couleurs.
Compare la théorie d’Aristote (datant de l’Antiquité) avec celle d’Isaac Newton (XVII
e
siècle) en expliquant les
différences entre elles :
4 – Connais-tu un autre moyen que le prisme pour décomposer la lumière polychromatique (comme la
lumière blanche) ?
5 – Quelle est la célérité (vitesse) de propagation d’une onde électromagnétique (donc de la lumière) notée c
dans le vide ou dans l’air en m.s
-1
(m/s) ?
6 – Une onde sonore se propage à la vitesse de 340 m.s
-1
dans le vide. En comparant avec la vitesse
déterminée à la question 5, peut-on en conclure qu’une onde sonore est électromagnétique ?

Guide pédagogique Le monde de l'invisible 5 Parc du Futuroscope – CANOPÉ Poitiers
7 – Dans le cas d’une onde progressive sinusoïdale, la célérité v de l’onde est liée à la longueur d’onde λ et à
la période temporelle T (ou à la fréquence f) de l’onde. Écris la relation existant entre v, λ et T puis entre v, λ
et f. On rappelle que la fréquence (mesurée en hertz Hz) est f = 1/T. Indique les unités légales de chacune des
grandeurs.
8 – Comment détecter la présence d’exoplanètes, trop éloignées de nous pour les observer avec nos
instruments ?
La méthode de la vitesse radiale s’appuie sur les perturbations qu’une planète provoque sur le mouvement
de son étoile. En effet, tout comme l’étoile exerce une force d’attraction gravitationnelle sur la planète, cette
dernière produit une force égale et opposée sur l’étoile. Bien évidemment, l’étoile est beaucoup plus
massive que la planète et l’effet de cette force réciproque est donc extrêmement faible.
Les variations de position de l’étoile sous l’effet de cette
perturbation planétaire sont très faibles et trop difficiles à
détecter à l’heure actuelle. La méthode de la vitesse
radiale cherche donc à mesurer de petits changements de
vitesse plutôt que de position de l’étoile.
Un moyen très efficace pour cela est d’utiliser
l’effet Doppler. En effet, les variations de vitesse de l’étoile
le long de notre ligne de visée se traduisent, grâce à l’effet
Doppler, par de légers déplacements en longueur d’onde
du spectre apparent de l’étoile. Il suffit donc en théorie
d’identifier certaines raies de ce spectre et d’observer les
faibles changements de leur longueur d’onde avec le temps
pour en déduire la présence d’une perturbation gravitationnelle par un autre corps. Evidemment ces
fluctuations sont toujours très faibles et ne sont généralement détectables que lorsque la planète produit
d’importantes perturbations gravitationnelles. Ceci limite la méthode de la vitesse radiale aux
planètes massives de type géante gazeuse et uniquement si ces planètes sont plus proches de leur étoile que
Mercure de notre Soleil. Lorsque ces conditions sont réunies, des observations spectroscopiques très
précises peuvent révéler la planète et fournir approximativement sa masse et des informations sur son
orbite.
En regardant le schéma ci-contre, indique pour chacune
des situations vers quelle couleur de lumière « visible »
se décale une raie d’absorption (noir) lorsque l’étoile se
déplace :
- - « Vers la gauche » du fait de la position d’une
exoplanète :
- - « Vers la droite » du fait d’une autre position de la
même exoplanète autour de cette étoile :
-
9 –
Comment montrer que le Soleil tourne sur lui-même ? Les raies spectrales nous permettent d’obtenir des
informations sur la composition du milieu traversé par le rayonnement. Ainsi, le spectre de la lumière solaire
met en évidence deux raies d’absorption appelées « doublet du sodium » dues à la présence de l’élément