Evaluation simulation celestia2.pages

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Université Paris 7 - Diderot
Simulation au cycle 3
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Découverte du Système solaire en classe de CM2 à l’aide du logiciel Celestia
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Logiciel Celestia
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Celestia est un logiciel libre et gratuit fonctionnant sous Mac OS X, Linux et
Windows. Cet outil informatique simule l'Univers et spécialement le système solaire
en trois dimensions et en temps réel. Il permet ainsi de visualiser des phénomènes
astronomiques, sous divers angles et selon des vitesses et des grossissements
appropriés. Nous pouvons donc retrouver et visiter les différentes planètes qui
existent dans notre système solaire.
Cette simulation réside dans son exactitude spatiale et temporelle. En effet, l’image
observée à l’écran est dans la réalité au même endroit de l’espace à ce moment
précis (date et heure). Cet outil puissant possède de nombreux paramètres qui
peuvent être notamment contrôlés et modifiés à volonté, permettant à chacun une
exploitation plus ou moins avancée des capacités du logiciel. Pour les plus
chevronnés, on peut utiliser ou créer des séquences d’instructions (appelées
scripts) qui permettent de piloter le logiciel. Avec un script, l'utilisateur peut
programmer des voyages dans le temps et dans l'espace et contrôler les fonctions
de Celestia.
La possibilité d'enregistrer des images, des vidéos, de montrer plusieurs points de
vue simultanément, avec une grande qualité d’image, en font un outil pédagogique
très intéressant à tous les niveaux d’enseignement. Ce logiciel permet ainsi de
matérialiser le mouvement des différentes planètes autour du Soleil permettant aux
élèves d’avoir une autre représentation, proche de ce que l’on pourrait retrouver
dans la réalité.
L’utilisation d’un tel outil en classe reste donc tout à fait pertinent au regard des
programmes de 2008 de l’école primaire dans l’enseignement des «sciences
expérimentales et technologie» rendant possible de représenter le monde et ses
phénomènes dans une démarche déductive donnant ainsi accès à sa complexité.
L’usage de ce logiciel de simulation d’astronomie permet de pratiquer des
expérimentations impossibles ou irréalisables en classe. Contrairement aux autres
sciences de la nature, les objets que l’astronomie étudie (les planètes, le Soleil…)
sont inaccessibles par la manipulation. La démarche mise en place est une
démarche scientifique non expérimentale, car il est impossible d’agir sur ces objets
ou leurs mouvements. Cependant, il reste indispensable auparavant de s’appuyer
sur des activités d’observation (mouvement apparent du Soleil, jour/nuit, les
phases de la Lune…) et par le vécu direct (simulation des astres par les élèves euxmêmes, puis avec des maquettes…). L’observation du réel et l’action sur celui-ci ont
la priorité sur le recours au virtuel. Le modèle doit être construit préalablement.
Celestia est donc un outil supplémentaire afin d’aider les élèves à explorer en détail
certains phénomènes qu’ils ne pourraient pas observer autrement et de compléter
les observations. La simulation permet de modéliser le mouvement des planètes
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autour du Soleil et de visualiser comment les astres étudiés évoluent au cours du
temps. Cependant, tout logiciel de simulation reposant sur l’utilisation d’un modèle
(construction théorique qui représente la réalité ou une partie de celle-ci et qui se
substitue à elle pour réfléchir) doit être absolument explicité et accompagné. En
effet, ce logiciel reste assez difficile à maîtriser pour de jeunes élèves car peu
intuitif au niveau des commandes. Il faut aussi essayer en permanence se souvenir
de sa position et de ce qu’on regarde. Mais expérimenter ce modèle et le confronter
au monde est une façon de donner du sens à ce qui est enseigné, de faciliter la
compréhension de la réalité en s’y référant. De plus, l’utilisation de l’outil
informatique permet un rôle actif de la part des élèves dans leurs apprentissages:
ils peuvent se promener dans l’espace, voir les astres en 3D, les faire pivoter. Cela
rend l’activité beaucoup plus concrète, plus intéressante et motivante pour eux.
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Les instructions officielles
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Dans les programmes du cycle 3 de l’école élémentaire, les élèves doivent aborder
les points suivants:
=> dans le domaine «Le ciel et la Terre»
• La lumière et les ombres *
• Les points cardinaux et la boussole
• Le mouvement de la Terre et des planètes autour du Soleil *
• La durée de la journée et son évolution au cours des saisons *
• La rotation de la Terre et ses conséquences *
• Le mouvement de la Lune autour de la terre *
• Les mesures de durées et unités
=> dans le domaine Nombres et calcul (Mathématiques) (cycle 3)
• Comparer et ranger des grands nombres jusqu’au milliard et au-delà *
• Arrondir des grands nombres *
(* compétences exigibles pour le palier 2 du socle commun)
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Dans la partie Sciences expérimentales et technologie, les instructions officielles
proposent des repères pour organiser la progressivité des apprentissages pour
chaque niveau en précisant que les connaissances et compétences acquises dans la
classe antérieure sont à consolider. Ainsi le thème «Mouvement de la Terre et des
planètes…» est réparti sur les trois classes du cycle 3 permettant un niveau de
difficulté et d’approfondissement croissant. L’organisation et la gestion de données
constitue une partie importante du programme de mathématiques. L’activité
scientifique proposée offre la possibilité de la travailler. Les données pourront être
directement issues des mesures ou relevés réalisées durant les observations, des
calculs effectués dans le cadre de l’investigation. Elles seront également figurées
dans les documents fournis aux élèves. Elles seront présentées sous
forme de tableaux, simples ou à double entrée.
L’approche interdisciplinaire, associant plusieurs compétences du socle
permet d’optimiser la gestion des temps d’activité.
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Ce2: Le mouvement de la Terre (et des!
planètes) autour du Soleil
Cm1: Le mouvement de la Terre (et des!
planètes) autour du Soleil
Cm2: Le mouvement de la Terre (et des!
planètes) autour du Soleil
- Mettre en lien l’évolution de la durée
du jour au cours de l’année et les
saisons.!
- Définir les termes équinoxe, solstice.!
- Savoir que le Soleil est une étoile,!
centre d’un système solaire constitué
de planètes dont la Terre.!
- Différencier étoile et planète, planète et!
satellite (exemple : la Lune, satellite!
naturel de la Terre).!
Vocabulaire : saison, planète, étoile,!
système solaire, satellite naturel,
rotation, révolution.!
- Repérer et comprendre le mouvement!
apparent du soleil au cours d’une
journée et son évolution au cours de
l’année.!
- Connaître le sens et la durée de!
rotation de la Terre sur elle-même.!
- Savoir interpréter le mouvement!
apparent du Soleil par une modélisation.!
- Connaître la contribution de Copernic
et Galilée à l’évolution des idées en!
astronomie.!
Vocabulaire : solstice, équinoxe, sens
et axe de rotation, inclinaison, points!
cardinaux.
- Différencier les planètes du système!
solaire (caractéristiques, ordres de!
grandeur)!
Vocabulaire : planète gazeuse /
rocheuse!
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Découvrir le système solaire (cm2)
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Connaissance: le système solaire est constitué en son centre d’une étoile, le soleil
et de huit planètes qui gravitent autour de lui sur des trajectoires pratiquement
circulaires. Le Soleil est beaucoup plus gros que les planètes (son diamètre est plus
de 100 fois plus grand que celui de la Terre). Ces planètes sont au nombre de huit:
les quatre première à partir du Soleil (Mercure, Vénus, Terre et mars) sont de plus
petites tailles , ce sont des planètes solides, ayant un sol; les quatre suivantes
(Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) sont des planètes de plus grande taille,
gazeuses et nettement plus éloignées du Soleil.
Certaines possèdent des satellites, des corps qui gravitent autour d’elles suivant
des orbites à peu près circulaires. Certaines planètes géantes ont des anneaux faits
de roches et de glaces (ex Saturne). Le système solaire est minuscule à l’échelle
des distances séparant les milliards de galaxies qui peuplent l’univers.
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Concept clés:
• Les planètes sont des sphères
• Les planètes ont des tailles différentes
• Les planètes tournent autour du Soleil, notre étoile
• Les planètes tournent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre
• Les orbites sont presque circulaires
• Il y a huit planètes: les quatre petites sont rocheuses et les quatre grandes sont
gazeuses
• Pluton est une planète naine
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=> Objectifs de la séquence:
Découvrir le système solaire
Connaître la différence entre une planète et une étoile
Savoir distinguer planète rocheuse et géante gazeuse
Reconnaître les différentes planètes du système solaire et les nommer
Etre capable de les classer en fonction de leur type, taille et distance par rapport
au soleil
Aborder les notions de distance en km et U.A.
=> Durée: 5 séances
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=> Matériel: - un ordinateur pour deux élèves, le logiciel Célestia installé (l’usage d’un Tbi serait
ici vivement conseillé)
- les différents documents proposés pour chaque élève
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Les différentes séances de cette séquence autour du Système Solaire
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=> Séance préliminaire :
Cette séance va permettre de faire émerger individuellement les conceptions des
élèves et de leurs connaissances initiales qui serviront de fil conducteur pour le
déroulement de la séquence.
* Demander aux enfants de réfléchir, d’écrire et de représenter ce qu’ils pensent
savoir sur le système solaire. * Noter ensuite toutes les questions qu’ils se posent à ce sujet.
Les élèves ont certaines connaissances
sur les planètes, les étoiles, l’Univers.
Mais souvent ces connaissances sont
erronées ou peu précises. Il s’agira ici de les amener à modifier leurs
représentations, à préciser le
vocabulaire et à se poser de nouvelles
questions.
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=> Voici différentes productions d’élèves recueillies
* les dessins concernant le système solaire présentent des astres parfois avec une
organisation géocentrique.
* les planètes ne sont pas dans le bon agencement.
* la Terre est la plus grosse de toutes les planètes.
* étoile et planète restent souvent confondues.
* les dimensions dans l’Univers restent très sous-évaluées: ils n’ont aucune idée
des distances
* définition du mot satellite qui reste trop souvent un objet construit par l’homme
Connaissances et questions des élèves: * les étoiles sont des fragments de météorites - Pluto n’est plus une planète Mars est la planète la plus éloignée du Soleil - Y a-t-il un autre système solaire? !5
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Est-ce que toutes les planètes possèdent une atmosphère? - Est-il possible d’aller
sur Mercure? Y a-t-il de la vie ailleurs?
=> Séance 1 : Nos connaissances
En collectif, (sur le TBi) recueillir ce que les enfants pensent savoir du système
solaire suite à la séance précédente. Les affirmations ou les questions posées sont
validées ou non au sein de la classe. De nouvelles questions peuvent être émises.
Le vocabulaire spécifique à cette séquence est (re)donné ou recherché dans les
dictionnaires (galaxie;étoile; astre; orbite; révolution; satellite;noms des planètes...)
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=> Séance 2 : travail d’observation d’images
• Objectifs: - Observer, comparer et analyser des images montrant des planètes du système
solaire. - Découvrir l’agencement de ces planètes par rapport au Soleil
- Définition des mots nouveaux découverts
• Déroulement: -Faire observer les images (photos ou vidéoprojecteur). -Etudier chacune en guidant les élèves. -Définir les mots nouveaux
-Noter les informations, les hypothèses dans son cahier de sciences
• Matériel: fiche élève (voir en annexe)
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=> Séance 3 : travail documentaire - Réalisation de fiches
• Objectifs: - Rechercher, extraire les données utiles, des informations et organiser l’information
utile (mettre les données dans un tableau, remplir la carte conceptuelle)
(Note: cette séance se déroulera sur plusieurs temps: recherche, mise en texte,
tableau, mise en commun).
• Déroulement: Travail de groupes:
-A partir des documents fournis, repérer le rang de chaque planète; commencer à
dégager quelques particularités des planètes (sphère, taille différente, rocheuse
ou gazeuse…) ; essayer de les classer par ordre croissant.
-Rédiger des fiches sur les différents astres de notre système solaire en fonction
de la carte mentale créée en classe (caractéristiques des planètes) à partir des
renseignements trouvés sur les livres documentaires fournis ou sur Internet (sites
donnés) !6
En classe
-Mise en commun
• Matériel: ordinateurs reliés à Internet, livres documentaires, fiches (voir en
annexe)
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=> Séance 4 :
Découverte du système solaire à l’aide du logiciel Celestia
Il s’agit d’utiliser ce logiciel de simulation afin de visualiser le Soleil et les planètes
du système solaire en mouvement et en contrôlant les paramètres suivants: le
temps, le point d’observation, la distance par rapport à l’objet sélectionné. On peut
télécharger ce logiciel à l’adresse suivante: http://www.shatters.net/celestia/
download.html
Cette séance fait suite aux différentes séances de la découverte du système
solaire. Elle est progressive mais demande du temps. L’enseignant doit ici guider les
élèves par des activités détaillées et structurées pour les impliquer dans leurs
apprentissages. Elle pourra aisément être scindée en trois moments:
1) Découverte du logiciel (affichage de la démo proposée du logiciel)
2) Exploration dirigée à travers différentes tâches pour saisir le fonctionnement du
logiciel et de continuer à appréhender cette nouvelle «vue extraterrestre» (changement de repères), de se rendre compte des distances et des
durées dans l’espace
3) Mission à effectuer grâce au logiciel
Objectifs spécifiques de la séance
1.
Se familiariser avec le logiciel Celestia
2.
Faire prendre conscience aux élèves des échelles de temps et de distance dans
le système solaire
3.
Repérer que les planètes vue du Soleil décrivent une trajectoire qui sont
pratiquement des cercles centrés sur celui-ci
4.
Etre capable de dire quelle planète a l’orbite la plus grande, la plus petite et
faire le lien entre la notion d’orbite d’une planète et sa distance au Soleil
5.
Etre capable d’avoir un regard différent sur le système solaire (changement de
repère)
6.
Savoir lire des grands nombres, les comparer, les ranger
Compétences 4 du socle commun (B2i):
S’informer, se documenter
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4.1 - Je sais ouvrir un logiciel et avoir une connaissance suffisante pur me
permettre de comprendre les consignes d’utilisation pour naviguer dedans; repérer
et trier les informations affichées à l'écran.
4.2 - Je sais utiliser les fenêtres, ascenseurs, boutons de défilement, liens, listes
déroulantes, icônes et onglets.
4.3 - Je sais sélectionner, effacer, modifier des éléments en utilisant la souris
Matériel
Pour chaque groupe, prévoir un ordinateur avec le logiciel Celestia installé et une
fiche de commande
Pour la classe, une affiche collective des commandes. L’usage du TBi est vivement
conseillé pour la découverte du logiciel et de la mise en commun.
Procédures
1.
Présentation collective du logiciel et distribution de la fiche des
commandes:
A) « Le logiciel Celestia permet d’observer le système solaire et le reste de l’Univers
comme si vous étiez dans un vaisseau spatial. En sélectionnant un «objet» (une
planète, une étoile…), nous démarrons le voyage. Une fois arrivée, nous pouvons
nous déplacer autour de «l’objet». A l’ouverture, un échange dans la classe est organisé à partir des observations
minutieuses de l’image à l’écran, l’enseignant apportant les premières consignes et
aides pour naviguer dans le logiciel.
«Une fois le logiciel ouvert, nous arrivons face à la planète Terre (vue de l’espace). => Repérer en haut à droite la date et l’heure du jour
=> Description de l’image à l’écran (la Terre; Repérer les continents, les océans, la
France - L’espace: le ciel noir, le nombre de «points jaunes»...). => En utilisant le clic droit de la souris et en pointant sur la Terre, faites bouger la
souris: que remarquez-vous? (la vue de la Terre tourne: apparition de la limite
jour/nuit)»
=> «Utiliser la molette de la souris: que remarquez-vous? Tournez la plusieurs
fois en vous éloignant de la Terre: Où êtes-vous arrivés? (vue de notre
galaxie,
la Voie Lactée)»
Un élève peut déjà noter sur une affiche collective les touches utilisées et leurs
effets.
B) Nous allons visionner la Démo présente dans ce logiciel pour découvrir ce que
l’on peut faire ou explorer grâce à Celestia. Pour cela, appuyer sur la touche D du
clavier. Nous pourrons stopper à tout moment l’animation en appuyant sur la barre
d’espace. => échanges entre élèves et l’enseignant sur les découvertes effectuées
=> il faut retenir les trois boutons indispensables H, G, et C
• H = sélectionne le Soleil
• C = centre la vue sur l’astre sélectionné (« visualise » ici le Soleil)
• G = s’approche de l’astre sélectionné (« visite » ici le Soleil) pour en avoir une
vue globale (appuyer une deuxième fois pour se poser à sa « surface »)
«Depuis la page de démarrage, appuyer successivement sur H, C, et G. Appuyer
une fois de trop sur G, puis utiliser la molette de la souris pour revenir en arrière. => Allons sur Jupiter, par une des deux méthodes suivantes :
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• Appuyer sur Entrée et taper « Jupiter ». Appuyer de nouveau sur Entrée pour
valider la sélection, puis appuyer sur G pour s’y rendre
• Appuyer sur 5 (Maj-5) pour sélectionner la cinquième planète du système
solaire, puis sur G pour y aller. (Uniquement les chiffres notés en haut du
clavier: 0:Soleil; 1:Mercure; 2:Vénus; 3:Terre; 4:mars; 5:Jupiter; 6:Saturne;
7:Uranus; 8:Neptune)
Les élèves peuvent s’entraîner à se rendre sur les différentes planètes et à revenir
face au Soleil.
Une trace écrite collective peut commencer à être
élaborée sous forme de carte mentale.
=> Distribution de la fiche des commandes !
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2.
Exploration dirigée du logiciel
Objectifs:
- Être capable de se repérer sur le clavier par rapport aux fonctions de base pour
naviguer avec le logiciel dans l’espace. (feuille qui leur a été remise)
- Être capable de bien contrôler la souris pour se déplacer
- Être capable de se repérer dans la barre d’outils
- Être capable d’ouvrir le logiciel installé préalablement
=> Distribution de la feuille d’exploration. Travail par binôme.
Les élèves, répartis en petits groupes sont amenés à effectuer différentes tâches
guidées sur le logiciel et à noter leurs
résultats sur leur fiche. Ce travail
permet aux élèves de se familiariser au
fonctionnement de Celestia, de rendre
son utilisation plus aisée et de se
conforter dans les apprentissages
amorcés sur le système solaire
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3.
Réussir sa mission (Evaluation
formative) avec le logiciel
Celestia
Les recherches demandées s’effectuent sans guidage (mais ils peuvent toujours
demander de l’aide). Les élèves doivent répondre aux questions en utilisant leurs
connaissances, le document de navigation, effectuer des calculs mathématiques.
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Exploration du système solaire à l’aide du logiciel Celestia
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1) Démarrez Celestia. Vous voyez la face de la Terre éclairée par le Soleil. Nous voulons voir
sa face obscure. Eloignez vous de la Terre avec la touche Fin jusqu'à ce qu'elle ait la taille d'un pois, puis contournez-la avec maj← et maj-→ afin d'apercevoir le Soleil sur le fond d'étoiles.!
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=> Citez deux pays qui sont dans la nuit et
trouve dans le jour
un océan qui se
___________________________________________________________________!
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2) Maintenant accélérez le temps en appuyant quatre fois sur la touche L (LLLL)
=> De combien ai-je accéléré le temps?
!
___________________________________________________________________!
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(entoure la bonne réponse)!
3) N’oubliez de vérifier dans quelle situation se trouve le pôle Nord aujourd'hui
=> Suis-je dans la nuit polaire ou pourrais-je observer le Soleil de minuit? !
4) Direction le Soleil. Tapez H C G. Vous observez des points brillants qui
tournent autour du Soleil. Ce sont _________________________. Appuyer sur
P. Que remarquez-vous?
la touche
_______________________________________________________
!
Voyez-vous toutes les planètes? (Vous pouvez vous éloigner ou avancer du Soleil grâce à la
molette de la souris).!
5) Est-ce que toutes les planètes se déplacent-elles à la même vitesse? Dans le même sens?
Expliquez. (vous pouvez ralentir en appuyant sur K et mettre en pause en appuyant sur la
touche espace.)
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___________________________________________________________________
___________________________________________________________________!
6) Appuyer sur la touche O. Vous obtenez les orbites des planètes autour du Soleil. Vous
pouvez les faire apparaitre circulaires en enfonçant le bouton droit de la souris et en la
déplaçant vers le bas. Peut-on voir l’ensemble des orbites en même temps? Pourquoi?
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___________________________________________________________________!
7) Vérification de la durée de révolution de la planète Mercure. Cliquez sur la planète Mercure. Son orbite devient rouge. Mettre en pause et régler la date et à l’heure du jour (appui sur la
touche !). Placer le curseur de la souris face à la planète et
appuyer de nouveau sur la touche espace sans toucher la
souris. Vous pouvez accélérez ou ralentir le temps avec K et L.
Arrêtez en appuyant sur la touche Espace dès que la planète
rejoint le bout du curseur de la souris. Regardez la date indiquée et calculez le nombre de jours
écoulés entre les deux moments.!
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MISSION
SYSTEME SOLAIRE
Vous prenez votre vaisseau
suivez ce plan de vol.
et vous
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1° Allez sur le satellite de la Terre. Combien mesure son
rayon? Son diamètre?
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2° Dirigez-vous vers la planète la plus grande du système
solaire. Quel est son nom? A quel rang est-elle située?
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3° C’est la planète rouge. Où sommes-nous? Est-ce que
cette planète est plus grande que la Terre? Laisse une
trace de tes calculs.
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4° Phobos est son satellite. Où se
trouve t-il? Quelle forme a-t-il?
!
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5° Vous êtes maintenant face à la
planète possédant un rayon de 2440 km. Que regardez-vous?
!
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6° Voici l’ISS (Station Spatiale
Internationale) orbitale. Elle est
placée en orbite autour de la
Terre. Retrouve ce qu’elle survole pour
ce jour et à l’heure de cette
mission.
(Aller sur Terre. Cliquez sur N pour
afficher «les stations orbitales»)
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