Physique, chapitre 01

Sciences physiques CH01 Présentation de l’univers page
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Chapitre 01 Description de l'Univers : du très petit
au très grand.
I- Présentation de l’Univers.
1)- L’infiniment petit
2)- Notre échelle : l’échelle humaine.
3)- L’infiniment grand.
a)- Le système Solaire
b)- Notre Galaxie
c)- L’Univers
4)- Conclusion
II- La Lumière pour mesurer des distances.
1)- Principe de propagation rectiligne de la lumière.
2)- Vitesse de propagation de la lumière.
3)- L’année de lumière : a.l.
4)- Voir loin, c’est voir dans le passé.
III- Des outils de description de l’Univers. En relation avec la séance de travaux pratiques 01.
1)- Unité.
2)- Multiples et sous multiples d’une unité.
3)- Comparaison de longueurs et ordre de grandeur.
a)- Comparaison de longueurs.
b)- Ordre de grandeur.
4)- Chiffres significatifs et précision d’une mesure. (TP Physique N° 01).
IV- Structure de l’Univers et échelle des longueurs.
1)- Structure de l’Univers.
2)- Échelle des longueurs dans l’Univers. (TP Physique N° 01)
V- Applications.
1)- Devoir : Construction d’une échelle de longueurs.
2)- QCM :

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I- Présentation de l’Univers.
- L’Univers est tout ce qui existe. Il comporte des objets extrêmement petits, comme les atomes, ou
extrêmement grand comme les Galaxies.
1)- L’infiniment petit :
- Lorsqu’on se déplace vers l’infiniment petit, on atteint le niveau microscopique.
- La matière qui nous entoure est vivante ou inerte. Elle est toujours constituée à partir d’atomes.
- Les atomes : Ils peuvent être assimilés à des sphères dont le rayon atomique est de l’ordre de 0,1
nanomètre (1 nm = 10
– 9
m ).
- Un atome est constitué : - D’un noyau central, chargé positivement
- Et d’électrons, chargés négativement en mouvement rapide autour du
noyau.
- Le noyau est assimilé à une sphère de rayon 100 000 fois plus petite que celui de l’atome.
- L’atome est essentiellement fait de vide.
- En conséquence, l’atome a une structure lacunaire.
- Les atomes peuvent s’assembler pour former des molécules.
- Les molécules :
- Les plus petites molécules ont des dimensions de l’ordre du nanomètre. Certaines grosses molécules
organiques peuvent dépasser le millimètre
- ( 1 mm = 10
– 3
m ).
2)- Notre échelle : l’échelle humaine.
- La taille de certains objets et certaines distances sont à l’échelle humaine : quelques kilomètres,
quelques mètres ou quelques centimètres.
3)- L’infiniment grand.
- Depuis l ‘Antiquité, les hommes ont observé le ciel. Ils se sont intéressés aux Etoiles, aux Planètes.
- Lorsqu’on se déplace vers l’infiniment grand, on parvient au niveau cosmique.
a)- Le système Solaire :
- Le Soleil et l’ensemble des objets en révolution autour de lui constituent le système Solaire.
- La Terre fait partie du système Solaire avec huit autres planètes qui sont :
- Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton (Pluton ne fait plus
partie du système solaire).
- 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 UA .
1 UA = 1,5 x 10
11
m
- 1 UA = 1,5 x 10
11
m .
- Les planètes et leurs satellites, les astéroïdes, les comètes font partie du système Solaire.

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b)- 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
- Exemple : Proxima du centaure est l’étoile la plus proche du Soleil. Elle est située à 40 mille
milliards de kilomètres.
- Cette grandeur s’exprime avec un nombre plus simple en utilisant l’année de lumière : 4,3 a .l .
c)- L’Univers :
- Il contient des 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.
- L’espace entre les étoiles et les Galaxies est surtout constitué de vide.
- À l’échelle cosmique, la matière est essentiellement lacunaire.
4)- Conclusion :
- L’univers peut être décrit à trois niveaux : le niveau cosmique, l’échelle humaine et le niveau
microscopique.

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II- La Lumière pour mesurer des distances.
1)- Principe de propagation rectiligne de la lumière.
- Expérience : Laser et différentes sources de lumière.
- La lumière se propage en ligne droite dans tout milieu transparent homogène (comme l’air, l’eau et
le vide).
- Le trajet suivi par la lumière peut être modélisé par une ligne droite fléchée dans le sens de la
propagation.
- Ce modèle de représentation s’appelle le rayon lumineux.
2)- Vitesse de propagation de la lumière.
- En 1674, étudiant les éclipses de la planète Jupiter sur son satellite Io, Le Danois Römer donne une
première estimation de la vitesse de la lumière dans le vide.
- La valeur fixée pour la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est :
c = 2,99792458 x 10
8
m / s
- C’est une constante Universelle. Cette vitesse est une vitesse limite. Aucun objet matériel ne peut
atteindre cette vitesse dans le vide.
- En pratique, on donne à cette vitesse une valeur approchée : c = 3,00 x 10
8
m / s
- Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.
- La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide. c
air
≈ c ≈ 3,00 x 10
8
m / s
3)- L’année de lumière : a.l.
- L’année de lumière est la distance parcourue par la lumière en une année.
- Une distance d est une vitesse multipliée par une durée : d = v . ∆t Unités : d (m), v (m / s) et ∆t (s)
- Dans le cas qui nous intéresse : v = c La relation devient : d = c . ∆t
- Donner un ordre de grandeur de cette distance en mètres.
- Ordre de grandeur : 1 a.l ≈ 3,00 x 10
8
x 365,25 x 24 x 3600 ≈ 3,00 x 10
8
x 400 x 20 x 4000
1 a.l ≈ 3 x 4 x 2 x 4 x 10
14
≈ 100 x 10
14
≈ 10
16
1 a.l ≈ 9,46 10
15
m
- L’année de lumière est bien une unité de distance.
- L’étoile Proxima du Centaure (étoile la plus proche du Soleil) est située à 4,2 a .l de la Terre. Que
peut-on déduire de cette donnée ?

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4)- Voir loin, c’est voir dans le passé.
- Plus nous observons loin dans l’espace et plus nous regardons dans le passé.
- La nébuleuse d’Orion se situe à 1800 a .l de la Terre. La lumière provenant d’Orion met 1800 ans
pour nous parvenir.
- On la voit telle qu’elle était il y a 1800 ans.
- Cette lumière a été émise à l’an 200 (époque Gallo-Romaine).
- Grâce au télescope Hubble, (24 avril 1990), les astronomes parviennent à déceler des étoiles dans
l’état où elles étaient, il y a 10 milliards d’années.
- La limite de ce qu’il est possible d’observer (l’horizon cosmologique) se situe à environ 15 milliards
d’années de lumière (naissance de l’Univers, origine de l’Univers, big-bang).
- En conséquence, la lumière émise par les très éloignés témoigne du passé de l’Univers.
III- Des outils de description de l’Univers. En relation avec la séance de travaux pratiques 01.
1)- Unité.
- Unité : Dans le S.I, l’unité de longueur est le mètre ; symbole m.
- On exprime souvent les longueurs avec des multiples ou des sous-multiples du mètre.
2)- Multiples et sous multiples d’une unité.
Facteur
multiplicatif
préfixe Symbole Etymologie
10
–
18
atto a Danois : atten : dix-huit
10
–
15
femto f Danois : femten : quinze
10
–
12
pico p Italien : picolo : petit
10
–
9
nano n Latin : nanus : nain
10
–
6
micro µ Grec : mikros : petit
10
–
3
milli m Latin : mille : millième
1 = 10
–
0
unité
10
3
kilo k Grec : khilioi : mille
10
6
Méga M Grec : mégas : grand
10
9
Giga G Grec : gigas : géant
10
12
Téra T Grec : téras : monstre
10
15
Peta P Grec : pente : cinq (mille à
la puissance 5)
10
18
Exa E Grec : hex : six (mille à la
puissance 6)
- Exemples : le kilomètre : km ; le kilowatt : kW ; le millimètre : mm.