L’univers Chapitre 1 : description de l’univers L’Homme a de tout temps observé les astres afin de se situer dans l’univers. Télécharger la version démo de Hatier L'univers s'étend de l'infiniment petit à l'infiniment grand, la référence étant la taille de l'homme dont l'ordre de grandeur est le mètre. Animation 1. de l’infiniment grand à l’infiniment petit 2. film : puissances de 10 3. télécharger la version démo de Hatier 4. description de l’univers Table des matières I) l'univers 1) description 2) la structure lacunaire de l’univers II) des outils de description de l’univers 1) quelques préfixes à connaître 2) les puissances de 10 – L’écriture scientifique 3) Ordre de grandeur 4) Unité légale de longueur 5) l’unité astronomique (U.A) III) lumière dans l’espace 1) Propagation de la lumière : 2) Le modèle du rayon lumineux 3) Vitesse de la lumière dans le vide 4) L’année lumière (a.l.) 5) Voir loin, c’est voir dans le passé I) l’univers 1) description On étudiera dans l'infiniment petit : - les atomes et les molécules - les particules élémentaires (proton, neutron et électron). Dans l'infiniment grand on étudiera : - les étoiles (dont le Soleil fait partie) - le système solaire comportant, outre le Soleil, huit planètes (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) - les satellites de ces planètes, les astéroïdes et les comètes). Les étoiles sont regroupées dans des galaxies (la galaxie dont fait partie le système solaire est appelé la voie lactée.) - l’univers est composé de millions de galaxies. Animation : photos de l’infiniment petit à l’infiniment grand 2) la structure lacunaire de l’univers Il existe une propriété commune aux structures infiniment petites et infiniment grandes. Il s'agit de la structure lacunaire. Dans une telle structure, la matière est assez bien localisée dans certaines régions de l'espace et entre ces zones où se concentre la matière il règne le vide où le quasi vide. Par exemple: Entre le noyau d'un atome et les électrons, il y a le vide. De même entre les galaxies il y a le quasi vide. avec puissance de dix II) des outils de description de l’univers Intérêt de l’ordre de grandeur : situer des longueurs sur l’échelle des longueurs qui composent l’univers, et les comparer aux autres. 1) quelques préfixes à connaître pico(p) nano(n) micro() milli(m) centi (c) déci(d) déca(da) hecto(h) kilo(k) méga (M) giga(G) préfixe 3) Ordre de grandeur vidéo L’ordre de grandeur d’un nombre est la puissance de 10 la plus proche de ce nombre. Pour trouver l’ordre de grandeur : - mettre le nombre x en notation scientifique : x = a.10n si a < 5 alors l’ordre de grandeur de x est 10n si a >= 5 alors l’ordre de grandeur de x est 10n+1 Exemple : La distance Terre-Soleil est 1,5.1011 m, son ordre de grandeur est 1011 m. Le rayon de l’atome d’hydrogène est 5,5.10-11 m, son ordre de grandeur est 10-10 m. 1 pm = 10-12 m 1 mm = 10-3 m valeur en mètre 10 x10 = 10 102x103 = 102+3 = 105 10-a = 1/10a 10-4 = 1/104 a b a-b 10 /10 = 10 102/103 = 10-1 (10b)a = 10axb (102)3 = 102x3 = 106 Attention ! ! Il n’y a pas de formule pour l’addition des puissances de 10. 100 = 1 fentomètre 1 fm = 10-15 m 10-3 Film sur les puissances de 10 distance distance en mètre (notation scientifique) 3,8.108 m ordre de grandeur 1,05.10-10 m 10-10 m 4810 m 4,810.103 m 103 m 2 nm 2.10-9 m 10-9 m 6400 km 6,4.106 m 107 m 170 cm 1,70 m 100 = 1 m 150 millions de km 1,5x10-3 pm 1,5.1011 m 1011 m 1,5x10-15 m 10-15 m 9,5.1017 km 0,016 mm 9,5x1020 m 1020 m 1,6x10-5 m 10-5 m 12.1022 1,2.1026 m 1026 m Exemples a+b picomètre millième 10-2 b nanomètre 1 nm = 10-9 m centième 10-1 a micromètre 1 mm = 10-6 m dixième 10 Formules millimètre dix 102 Exemple : 178 m en écriture scientifique s’écrit 1,78 x 102 m centimètre 1 cm = 10-2 m cent 103 La notation scientifique est l’écriture d’un nombre sous la forme du produit : a.10n Avec a : nombre décimal 1 a 10 et n, entier positif ou négatif. Remarque : l’unité légale de surface est le mètre carré (m2) l’unité légale de volume est le mètre cube (m3). On utilise aussi des multiples et sous-multiples du mètre multiples Kilomètres Hectomètre décamètre 1 km = 103 m 1 hm = 102 m 1 dam = 101 m décimètre 1 dm = 10-1 m mille 106 2) les puissances de 10 – L’écriture scientifique : vidéo L’unité légale de longueur dans le système international (SI) est le mètre (m). sous multiples million 109 Millième de 10-12 milliardième milliardième 10-9 milliard puissances de 10 millionième 10-6 Valeur en lettre Exemple : 1 Gm = 109 m : 1dm = 10-1 m 4) Unité légale de longueur Terre-Lune Rayon atome d’hydrogène Altitude du Mont Blanc Dimension d’une molécule Rayon de la Terre Taille d’un homme Distance Terre-Soleil Rayon du noyau d’un atome d’hydrogène Diamètre de notre Galaxie Dimension d’une cellule humaine Taille estimée 380 000 km 0,105 nm 108 m de l’Univers km 5) l’unité astronomique (U.A) La distance moyenne Terre-Soleil est appelée unité astronomique : 1 U.A = 1,50x1011 m = 150x106 km Cette unité est utilisée pour les grandes distances. nom Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Pluton distance moyenne de la planète au Soleil en unité astronomique (U.A.) 0.385 0.7245 1,0 1.52 5.20 9.55 19.2 30.1 39.5 4) L’année lumière (a.l.) : vidéo Apprécier les dimensions entre les étoiles requiert une unité de distance appropriée, l’année de lumière. L’année lumière est la distance (m) parcourue par la lumière dans le vide en une année. Calcul d’une année lumière en mètre : d 1a.l c 1 a.l c.t t t 1 a.l 3,00x108 x365x24x60x60 1 a.l 9,45x1015 m 9,45x1012 km III) lumière dans l’espace 1) Propagation de la lumière : Animation : propagation rectiligne des ondes lumineuses La lumière issue des étoiles traverse l’espace et nous parvient. La lumière se propage en ligne droite, dans le vide et dans tous les milieux transparents et homogènes. 2) Le modèle du rayon lumineux On modélise le trajet suivi par la lumière entre deux points par des segments de droite orientés dans le sens de la propagation. Ces segments sont appelés rayons lumineux. 3) Vitesse de la lumière dans le vide La première mesure a été effectuée par l’astronome danois ROMER en 1676 à l’observatoire de Paris. C’est une vitesse limite : aucun objet ou onde ne peut se déplacer plus vite que la lumière dans le vide. La vitesse de propagation de la lumière dans le vide, appelée aussi célérité de la lumière vaut : c = 3,00x108 m.s-1 = 3,00x105 km.s-1 Dans les milieux transparents la vitesse de la lumière notée ‘ v ’ est inférieure à c. Dans l’air v c Rappel : définition de la vitesse moyenne vidéo La vitesse moyenne d’un objet est égale au rapport de la distance ‘d’(m) parcourue, sur la durée du parcourt d v t (s) : L’unité légale de vitesse est le m.s-1 5) Voir loin, c’est voir dans le passé » : La Nébuleuse d’Orion se situe à 1800 a.l. de la Terre ; la lumière provenant d’Orion que nous recevons aujourd’hui sur Terre a donc mis 1800 ans pour nous parvenir. Plus nous observons loin dans l’espace et plus nous regardons dans le passé. Programme officiel L'UNIVERS L’Homme a de tout temps observé les astres afin de se situer dans l’Univers. L’analyse de la lumière émise par les étoiles lui a permis d’en connaître la composition ainsi que celle de leur atmosphère et de la matière interstellaire. L’étude du mouvement des planètes autour du Soleil l’a conduit à la loi de gravitation universelle. Il apparaît ainsi que le monde matériel présente une unité structurale fondée sur l’universalité des atomes et des lois. NOTIONS ET CONTENUS COMPÉTENCES ATTENDUES Une première présentation de l’Univers : le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique. Les dimensions de l’Univers sont telles que la distance parcourue par la lumière en une année est l’unité adaptée à leur mesure. Description de l’Univers : Savoir que le remplissage l’atome, la Terre, le de l’espace par la matière système solaire, la Galaxie, est essentiellement les autres galaxies, lacunaire, aussi bien au exoplanètes et systèmes niveau de l’atome qu’à planétaires extrasolaires. l’échelle cosmique. Propagation rectiligne de la Connaître la valeur de la lumière. vitesse de la lumière dans le Vitesse de la lumière dans vide (ou dans l’air). le vide et dans l’air. Connaître la définition de l’année de lumière et son L’année de lumière. intérêt. Expliquer l’expression : « voir loin, c’est voir dans le passé ». Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur.