Cours - PhyZik

Chapitre 11
Description de l’univers
TP DI - Le jeu des deux familles
I – Constitution de l’univers
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.
On appelle planètes telluriques les planètes qui ressemblent à la Terre comme l'appellation le suggère (tellus = 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 grandes et plus lourdes 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.
Le système solaire est contenu dans notre galaxie : la voie lactée qui est constituée de centaine de milliards
d’étoiles.
L’univers compte plusieurs centaines de milliards de galaxies, de tailles et de formes très diverses, elles mêmes
regroupées en amas.
Astre
Étoile
Planètes
telluriques
Planètes
géantes
Soleil
1. Mercure
2. Venus
3. Terre
4. Mars
5. Jupiter
6. Saturne
7. Uranus
8. Neptune
Diamètre
(en km)
1 400 000
4 800
12 200
12 750
6 700
143 000
122 000
52 000
48 000
Distance au soleil
(en millions de
km)
Distance au soleil
(en km)
58
110
150
230
780
1 400
2 900
4 500
5,8.107
1,10.108
1,50.108
2,30.108
7,80.108
1,400.109
2,900.109
4,500.109
Période de
révolution (en
jours)
88
225
365
687
4333
10760
30600
60190
Ex : La distance entre le Soleil et la Terre vaut 150 000 000 km.
Cette écriture est gênante car elle oblige à écrire beaucoup de zéros, d'où un risque d'erreur.
On peut par exemple écrire 150.106 km ou encore 1,5.108 km.
Autre exemple : Distance entre le Soleil et Neptune : 4500.106 km ou 4,5.109 km.
1
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.
Compléter la colonne vierge du tableau à l'aide de la notation scientifique.
II – Un outil pratique pour comparer
1) Notion d’ordre de grandeur
Ordre de grandeur de la taille des objets suivants :
fourmi :
mm
pouce :
cm
immeuble de 10 étages :
une dizaine de m
 L'ordre de grandeur permet de comparer la taille des objets
L'ordre de grandeur est un outil scientifique dont on peut avoir besoin :
 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) ;
 Lorsqu'on veut situer différents nombres sur une très grande "échelle", généralement pour les comparer
entre eux.
L'ordre de grandeur d'un nombre de la forme a  10 n est une puissance de 10 la plus proche de ce nombre.
Donner les ordres de grandeur des valeurs suivantes :
Valeur
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Distance Paris Nice par autoroute
930 km = 930.103 m
Hauteur de la tour Eiffel
312 m
Diamètre du soleil
1,4 millions de km = 1,4 .106 km
Rayon de l'atome d'hydrogène (le plus petit des atomes)
53 pm = 53.10–12 m
Diamètre de notre galaxie
95.1016 km = 95.1019 m
La distance Terre-Soleil
150 000.Mm = 150 000.106 m
Hauteur d’un arbre
15m
Taille moyenne d’un humain adulte
1m70
Longueur de la bactérie colibacille
2,5 µm = 2,5.10–6 m
Rayon du proton
1,2 fm = 1,2.10–15 m
Epaisseur d’un cheveu
80 µm = 80.10–6 m
Rayon d’une orange
51 mm = 51.10-3 m
Virus de grande taille
120 nm = 120.10-9 m
Acide aminé
800 pm = 800. 10-12 m
Notation
scientifique
Ordre de
grandeur
9,3.105 m
106 m
3,12.102 m
102 m
1,4.109 m
109 m
5,3.10-11 m
10-10 m
9,5.1020 m
1021 m
1,5.1011 m
1011 m
1,5.101 m
101 m
1,70 m
1m
2,5.10–6 m
10-6 m
1,2.10–15 m
10-15 m
8,0.10-5 m
10-4 m
5,1.10-2 m
10-1 m
1,2.10-7 m
10-7 m
8,00.10-10 m
10-9 m
2
Compléter ce tableau à l’aide du précédent en donnant les multiples et sous multiples du mètre : (si pas fait en DI)
Nom
Symbole
Valeur en m
Mégamètre
M
106 m
kilomètre
k
103 m
mètre
(m)
100 m
millimètre
m
10-3 m
micromètre
μ
10-6 m
nanomètre
n
10-9 m
picomètre
P
10-12 m
femtomètre
f
10-15 m
1


ère
2) Utilisation de la notion d'ordre de grandeur
fonction : comparer rapidement
Rapport entre l'ordre de grandeur du diamètre de notre galaxie et l'ordre de grandeur du diamètre du soleil.
1021
109
= 1012 (mille milliards)
Notre galaxie est approximativement 1012 (mille milliards) fois plus grande que le soleil.
2e fonction : situer différentes valeur sur une "échelle" d'ordre de grandeur.
Parmi les exemples proposés dans le tableau précédent, placer ci-dessous les valeurs de distances en fonction de
leur ordre de grandeur.
femtomètre
picomètre
nanomètre
fm
pm
nm
10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7
micromètre
m
10-6 10-5 10-4
millimètre
mm
10-3 10-2
10-1
mètre
m
1
10
102
kilomètre
km
103 104
105
mégamètre
Mm
106 107 108
gigamètre
Gm
109 1010
1011
Distance terre-soleil
Distance Paris- Nice
Tour Eiffel
Hauteur d'un arbre
Taille moyenne d'un humain
Rayon d’une orange
Épaisseur d'un cheveu
Longueur de la bactérie
Virus de grande taille
Rayon de l'atome d'hydrogène
Acide aminé
Rayon du proton
film puissance de dix http://cdsweb.cern.ch/record/1002701
III – L’année de lumière
1) Vitesse de la lumière
Définition : La vitesse de la lumière dans le vide notée 𝑐 vaut 𝑐 = 3,00.108 𝑚. 𝑠 −1, soit environ trois cent mille
kilomètres par seconde.
C’est une vitesse limite : il n’existe pas de vitesse supérieure.
Rq : la vitesse de la lumière dans l’air est quasiment la même que dans le vide.
Analogie : Le son se propage dans l'air à la vitesse de 𝑣𝑠𝑜𝑛 = 340 𝑚. 𝑠 −1, 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-1 est assimilé à la lumière.
103 𝑚
𝑣𝑇𝐺𝑉 = 300 𝑘𝑚. ℎ−1 = 300.
= 83,3 𝑚. 𝑠 −1
3600𝑠
On cherche un objet en mouvement pour correspondre au son :
Lumière 𝑐 = 3,00.108 𝑚. 𝑠 −1
 TGV 𝑣𝑇𝐺𝑉 = 83,3 𝑚. 𝑠 −1
 ???
𝑣? = ?
Son
𝑣𝑠𝑜𝑛 = 340 𝑚. 𝑠 −1
Quel est l'objet qui convient le mieux ? Un avion de chasse, une voiture, un cheval au galop, un marcheur ou une
limace.
3
340
𝑣? = 83,3. 3,00.108 = 9,44. 10−5 𝑚. 𝑠 −1 = 34,0 𝑐𝑚. ℎ−1
Une limace
Illustration de la différence entre la vitesse du son et celle de la lumière dans l’air : La foudre est un bon exemple.
Lorsque « la foudre tombe », un éclair se produit et un grondement est émis, la lumière et le son sont émis
simultanément. Or un observateur voit d’abord l’éclair, et ensuite entend le tonnerre : cela illustre que la lumière a
mis nettement moins de temps que le son pour parcourir la distance entre l’endroit ou la foudre s'est abattue et
l’observateur. La lumière se propage donc nettement plus vite que le son.
2) L’année de lumière
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…
Ex : La lumière émise par Proxima du Centaure (étoile la plus proche de notre système solaire) met 4,3 années pour
atteindre la Terre donc :
 la distance entre cette étoile et la Terre est de 4,3 années de lumière.
Antarès est une étoile située à 170 années de lumière de la Terre.
 La lumière d’Antarès met 170 années pour nous parvenir
 Antarès est une étoile en fin de vie. À l’heure actuelle il est donc envisageable qu’elle soit éteinte, mais nous
n’observerons son extinction que 170 ans après qu’elle ait effectivement lieu.
Vidéo AL
 Calculer la distance en mètre parcoure par la lumière en une année :
𝑑 = 365 × 24 × 60 × 60 × 3,00.108 = 9,46.1015 𝑚
Donc :
1 a.l. = 9,46. 1015 m ordre de grandeur 1016 m
Ex : La distance entre Proxima du Centaure et la Terre est 4,3 années de lumière.
d = 4,3 x 9,46.1015m = 4,1.1016m soit 4,1.1013km.
 L’a.l. est une unité adaptée aux distances astronomiques. De plus la distance en a.l. entre deux astres correspond
à la durée du parcours de la lumière entre ces deux astres exprimée en années.
Ex : Combien de temps la lumière met-elle pour nous parvenir du Soleil ?
𝑑𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒−𝑆𝑜𝑙𝑒𝑖𝑙 = 1,5. 1011 𝑚 =
1,5.1011
9,46.1015
𝑎𝑙 = 1,59.10−5 𝑎𝑙 = 1,59.10−5 × 365 × 24 × 60 = 8,33 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑒𝑠 𝑙𝑢𝑚𝑖è𝑟𝑒
La durée du parcours de la lumière entre le Soleil et la terre est 𝑡 = 8,33 𝑚𝑖𝑛
TP DI – Répartition de la matière dans l’univers
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