c`est particulier (consignes) - Index

Observer
1
C’ EST PARTICULIER (C ONSIGNES )
BUT : Comprendre qu'un rayonnement permet d'obtenir des informations de l’Univers
Connaitre des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet.
Découvrir le flot de particules provenant de l'Univers.
COMPETENCES : APP COM AUT
Adopter une attitude critique et réfléchie vis-à-vis de l'information disponible APP2
Trier, classer et synthétiser l'information APP3
Rendre compte de façon écrite COM1
Source principale : Physique-Chimie-Terminale S-Nathan p 16 à 18
1. Atmosphère et rayonnements dans l’Univers
 Par quels moyens nous parviennent les informations qui nous font connaître l’Univers ?
La Terre reçoit de toutes les directions de l’espace des rayonnements électromagnétiques ainsi qu’une pluie de
particules qui constitue le rayonnement cosmique. Si ce flot ininterrompu n’était pas en grande partie arrêté par
l’atmosphère, ses effets destructeurs interdiraient toute vie.
Ces rayonnements et ces particules sont les seuls supports des informations qui nous parviennent de l’Univers
(distances, vitesses, constitution des étoiles ou des autres objets célestes).
Dans la deuxième moitié du XX
e
siècle, l’invention du radiotélescope, sur le modèle du radar, puis la possibilité
d’envoyer des télescopes spatiaux au-delà des couches denses de l’atmosphère, ont permis aux astronomes
d’exploiter beaucoup plus largement le domaine des ondes électromagnétiques.
Document 1.1. Atmosphère et observation astronomique.
Document 1.2. Absorption des rayonnements électromagnétiques par l’atmosphère.
Répondre aux questions du paragraphe 1. Atmosphère et rayonnements dans l’Univers.

2. L’astronomie de l’invisible
 Les astronomes s’intéressent beaucoup aux rayonnements électromagnétiques appartenant aux
domaines non visibles. Justifions cet intérêt par quelques exemples.
Les photographies ci-contre représentent la Galaxie M94 en lumière
visible (a), infrarouge (b) et ultraviolette (c) à la même échelle. Sur la
photographie (c) : les UV proches sont en jaune, les UV lointains sont en
bleu.
L’espace entre les étoiles est rempli de gaz et de poussières. La densité
de cette matière est extrêmement faible mais, à plusieurs centaines
d’années de lumière, il suffit de quelques molécules par cm
3
pour observer
des nuages opaques à la lumière visible sur la photographie (a).
Le rayonnement infrarouge, de longueur d’onde plus grande que celle de
la lumière visible, peut traverser cette matière parce qu’il subit peu la
diffusion (absorption et réémission des rayonnements dans toutes les
directions).
Des étoiles, dont la lumière visible est cachée par ces nuages,
apparaissent en observation dans l’infrarouge. D’autre part, les nuages de
poussières, échauffés par le rayonnement des étoiles voisines, émettent
eux-mêmes un rayonnement d’origine thermique qui les rend brillants dans
l’infrarouge sur la photographie (b).
Le rayonnement ultraviolet permet de révéler d’autres aspects de
l’Univers. De jeunes étoiles très brillantes dans ce domaine apparaissent sur
la photographie (c), là où gaz et poussières sont en faible densité.
Document 3. Observation astronomique dans l’ultraviolet et l’infrarouge.
La photographie (d) a été obtenue en
superposant l’image de la galaxie Centaurus
A en lumière visible (couleur blanche) et dans
le domaine radio (en orange).
Le rayonnement radio de l’Univers est
souvent émis par des particules chargées,
animées de mouvements rapides sous l’effet,
par exemple, de l’activité d’un trou noir, au
centre de la galaxie Centaurus A.
Document 4. Observation astronomique
dans le domaine radio.
Remarque : Un trou noir est un objet qui résulte de l’effondrement d’une étoile et qui a une masse
volumique telle que les effets gravitationnels empêchent même la lumière de s’en échapper.
Répondre aux questions du paragraphe 2. L’astronomie de l’invisible.

3. Les particules dans l’Univers
 La Terre reçoit un flot incessant de particules de grande énergie.
D’où provient-il ?
En 1912, on découvre que la Terre reçoit en permanence un rayonnement ionisant provenant de l’espace. Ce
rayonnement cosmique est constitué de particules chargées de grande énergie en provenance du Soleil ou
d’astres lointains (particules galactiques ou extragalactiques). Dans le « vide » spatial, ce rayonnement est surtout
constitué de protons et de noyaux d’hélium.
Au voisinage de la Terre, ces particules sont déviées par la magnétosphère. Si leur énergie est insuffisante,
elles ne peuvent pas atteindre l’atmosphère, sauf dans les régions polaires où les lignes de champ s’incurvent
vers la surface terrestre. C’est le cas pour les particules solaires, tandis que les particules galactiques, plus
énergiques, ne sont pas arrêtées par le champ magnétique terrestre.
Lorsqu’une particule du rayonnement cosmique atteint les couches supérieures de l’atmosphère, elle interagit
avec les atomes voisins en perturbant leur nuage électronique, en arrachant des électrons ou en provoquant des
réactions nucléaires. Les aurores polaires proviennent de la désexcitation des atomes ou des molécules de l’air,
excités ou ionisés par les particules solaires. Si l’énergie apportée par la particule est suffisante, les produits de
ces transformations interagissent à leur tour avec le milieu et il se produit finalement une « gerbe » de particules
secondaires qui finissent par atteindre le sol (figure 5).
Les particules d’origine solaire sont issues de réactions
nucléaires produites au sein de notre étoile. Elles sont
donc des témoins du fonctionnement interne du Soleil. Les
autres, dont l’origine est encore mal connue, sont
probablement les conséquences de phénomènes
déployant des énergies considérables dans l’Univers
lointain, l’action d’un trou noir ou l’explosion d’une
supernova par exemple.
Les rayons cosmiques ont constitué une source de
diverses particules très utile aux physiciens s’intéressant à
la structure intime de la matière. Ils l’exploitent encore
dans leurs recherches mais ils disposent maintenant des
accélérateurs de particules. Dans ces appareils, des
particules accélérées par des champs électriques et
guidées par des champs magnétiques sont violemment
projetées les unes contre les autres. Ces chocs donnent
naissance à des gerbes de particules et c’est en
examinant les résultats que l’on peut comprendre le
fonctionnement de la matière.
Document 6 : Le rayonnement cosmique.
Les muons sont des particules de même charge que les électrons mais de masse 207 fois plus petite. On peut
les observer à la surface de la Terre grâce à des détecteurs tels que la chambre à brouillard (1912), la chambre à
bulles (1952) ou la chambre à fils (mise au point par le français Georges Charpak en 1968).
Document 7 : Les Muons (Source : Physique-Chimie-Terminale S-Hachette p 22)
La valse des rayons cosmiques : http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Video/index.php?id=169
Répondre aux questions du paragraphe 3. Les particules dans l’Univers.
Document 5. Gerbes de particules issues
du rayonnement cosmique.

Observer
1
C’ EST PARTICULIER (B ILAN )
1. Atmosphère et rayonnements dans l’Univers
1.1. Analyser les documents
1.1.1. Quelles sont les sources d’informations, étudiées par les scientifiques, qui nous parviennent de l’Univers ?
1.1.2. Le rayonnement (ou ondes lumineuses) a-t-il besoin d’un support matériel pour se propager ? Argumenter.
1.1.3. Que représente la grandeur portée en ordonnée sur le document 2 ? Préciser notamment la signification 0 % et 100 % pour les points
ayant cette ordonnée.
1.1.4. Quelle grandeur est représentée en abscisse ?
1.1.5. Expliquer comment est construite l’échelle utilisée et ajouter ci-dessous, les valeurs manquantes devant chaque graduation.
1.1.6. Nommer les domaines de rayonnements électromagnétiques, qui sont repérés par les lettres A, B, C et D. S’aider, si nécessaire, d’une
recherche sur internet.
A B C D
1.1.7. Quel est le lien entre les illustrations (les instruments d’observation) et leur position sur la représentation graphique ?
1.2. Conclure
1.2.1. Donner les domaines de longueurs d’onde (en m) des rayonnements électromagnétiques en provenance de l’Univers qui peuvent être
étudiés directement avec des instruments au sol. Préciser aussi le nom du domaine d’ondes. Expliquer. Nommer ces instruments.
Aide : identifier les rayonnements parvenant sur Terre
1.2.2. Quels domaines d’ondes sont difficilement observables depuis la surface de la Terre ? Quel instrument peut-on alors utiliser pour les
observer et où les place-t-on ?
2. L’astronomie de l’invisible
2.1. Sur les photographies, la galaxie M 94 paraît moins étendue sur la photographie (a) que sur les (b) et (c).
Expliquer ceci en précisant :
-quel « objet » de l’espace arrête une grande partie du rayonnement dans le visible ?
-quels « objets » non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine infra-rouge ?

-quels « objets » non observables dans le domaine visible, le deviennent dans le domaine ultra-violet ?
2.2. Quels objets émettent dans le domaine radio ?
2.3. Justifier la nécessité d’exploiter les rayonnements électromagnétiques invisibles pour étudier l’Univers.
2.5. Le rayonnement thermique est le rayonnement émis par un corps uniquement sous l’effet de sa température
Rappels de première : La loi de Wien relie la température T à la surface d’un corps à la longueur d’onde λ
max
de la radiation émise avec le
maximum d’intensité :
λ
max
=
T
3
10.898,2
−
avec : θ = T - 273 ou T = θ + 273
λ
max
en m T en K
En utilisant la loi de Wien, classer les différents corps (corps émettant dans l’UV, l’IR et le domaine radio) par ordre décroissant de la température à leur
surface. Justifier.
2.6. De quelle couleur apparaissent alors les étoiles les plus chaudes sur la photographie c ?
2.6. À l’aide des documents, dresser un tableau présentant des sources riches en rayonnements ultraviolet, infrarouge et radio dans
l’Univers : étoiles « froides », étoiles chaudes, particules chargées animées d’un mouvement rapides et nuages interstellaires.
Rayonnement Ultra-violet Infra-rouge Radio (ou radioélectrique)
Exemples de sources dans
l’Univers
3. Activité documentaire. Les particules dans l’Univers
3.1. Analyser le document
3.1.1. À l’aide du document 6 et de vos connaissances de seconde et de première, expliquer les termes « rayonnement cosmique »,
« magnétosphère » et « réactions nucléaires ».
Rayonnement cosmique : particules de ……………. énergies se déplaçant dans l’espace.
Magnétosphère : champ ……………. environnant …………….. (ou un autre objet céleste).
Réactions nucléaires : transformations affectant le ……………. des atomes.
3.1.2. De quelles particules est constitué le rayonnement cosmique qui arrive sur Terre (y compris les particules secondaires) ?
3.1.3. De quelles particules (vues en première) est constituée la lumière ?
3.1.4. Quelle information du texte est illustrée par la figure 5 ?
3.1.5. Que se passe-t-il au point noté A ?
3.1.6. Où reproduit-on ces chocs sur Terre pour les étudier ?
3.1.7. Document 7. Citer un autre détecteur de particules utilisé dans le domaine de la radioactivité vu en classe de première.
3.2. Conclure
3.2.1. Quelles informations scientifiques les chercheurs peuvent-ils attendre de l’étude des particules cosmiques ?
3.2.2. Même question pour les particules produites dans les accélérateurs.